Faculté des sciences

Tectonics of the Western Swiss molasse basin during Cenozoic times

Ibele, Tobias ; Mosar, Jon (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2011 ; no. 1714.

The western Swiss Molasse Basin is a fl exural foreland basin that presently is in a wedge-top position above a décollement formed in Triassic evaporites near the base of the underlying Mesozoic units. In front of the western Swiss Molasse Basin, the décollement tectonics led to folding and thrusting of the Jura Mountains. The latter are widely accepted to represent the thin-skinned foreland... Plus

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    Zusammenfassung
    Der Schweizer Faltenjura gilt allgemein als der Vorland-Falten- und Überschiebungsgürtel der Zentralalpen. Faltung und Überschiebung sind auf das Deckgebirge oberhalb eines in triassischen Evaporiten lokalisierten Abscherhorizonts beschränkt. Das im Sinne der alpinen Orogenese weiter intern gelegene westschweizer Molassebecken und seine mesozoische Unterlage sind zeitgleich entlang desselben Abscherhorizonts passiv um den Verkürzungsbetrag der Jurafaltung nach Nordwesten transportiert worden. Im Gegensatz zum Faltenjura zeigt die Westschweizer Molasse aber nur unauffällige tektonische Strukturen. Die Falten sind sehr fl ach ausgebildet und Blattverschiebungen nur von wenigen Orten im Grenzbereich zum Faltenjura bekannt. Das zeitgleiche Abscheren entlang desselben Abscherhorizonts und die Tatsache der nur erosiv ausgebildeten Grenze zum Faltenjura zeigen, dass das Westschweizer Molassebecken gemeinsam mit dem Faltenjura zum Vorland-Falten- und Überschiebungsgürtel dazu gezählt werden muss. Die Grenze zum alpinen Orogenkeil im engeren Sinn ist die basale Überschiebung der Subalpinen Molasse, die ihrerseits einen Abscherhorizont an der Basis des Tertiärs und somit in einem höheren Stockwerk darstellt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Deformation der Westschweizer Molasse in der Gegend des Kantons Freiburg. Basierend auf strukturgeologischen Felddaten zeigt sie, dass die Molasse des Arbeitsgebiets über die schwache Faltung hinaus auch durch weit verbreitete Blattverschiebungsstrukturen gekennzeichnet ist. Im Feld wurden Brüche, Harnische, spröde Deformationsbänder, Störungen und Lösungsgruben in Konglomeratgeröllen als tektonische Strukturen aufgenommen. Die kartierte Deformation wird unter mechanischen, geochemischen und regionaltektonischen Gesichtspunkten analysiert. Spröde Deformationsbänder sind charakteristische Strukturen beginnender Deformation in porösen Sandsteinen. Dabei bilden sich planare Zonen (Bän der), entlang derer Scherung durch Kornzertrümmerung und Reduktion des Porenraums aufgenommen wird. Durch das Verkeilen der Kornfragmente kommt es zu Verformungshärtung dieser Zonen, so dass fortdauernde Deformation zur Bildung neuer subparalleler Deformationsbänder führt. Die mikroskopische Untersuchung der spröden Deformationsbänder aus der Molasse zeigte jedoch, dass die einzelnen Bänder nach ihrer Entstehung durchaus weitere Verformung aufnehmen können. Die mikroskopischen Störungsbrekzien sind sowohl durch regelmäßige Strukturen einer Foliation als auch durch chaotische, aus Kataklase hervorgegangene Strukturen gekennzeichnet. Damit weisen sie auf einen zyklischen Wechsel des Deformationsstils zwischen ruckartigem Versagen und kriechender Verformung hin, wobei ersteres möglicherweise seismischen Ereignissen, letzteres interseismischen Phasen einer andauernden Deformation zugeschrieben werden können. Die in den mikroskopischen Störungsbrekzien beobachteten Foliationen bestehen aus faserigem Palygorskit, einem Mg-reichen Tonmineral das während oder unmittelbar nach der Deformation neu gebildet wird. Im Gegensatz zur Verkeilung der Kornfragmente führt die Bildung von Palygorskit in der Störungsbrekzie zu Verformungserweichung und daher zur fortdauernden Scherung eines spröden Deformationsbandes. Röntgendiffraktionsanalysen von Störungsmaterial und Umgebungsgestein sowie energiedispersive Spektroskopie der mikroskopischen Störungebrekzien ergaben, dass Palygorskit in Störungen aller Größenordnungen, nicht aber im Umgebungsgestein vorkommt. Berechnungen des chemischen Gleichgewichts anhand der Mineralogie des Umgebungsgesteins und verschiedenen Formationswässern der Region zeigten, dass Palygorskit im Gegensatz zu dem im Umgebungsgestein vorhandenen Chlorit die stabile Phase ist. Daraus lässt sich eine Chlorit-konsumierende Reaktion ableiten, die an die Deformation gebunden ist. Die in den Aufschlüssen gemessenen Harnische und spröden Deformationsbänder sind in synthetischen und antithetischen Störungsfl ächen orientiert und werden als Einzelstörungen eines Riedelsystems interpretiert. Die Brüche können zu einem Teil als initiale Dehnungsbrüche (Klüfte) parallel zu σ1, als Scherbrüche ohne Lineation interpretiert werden. Die grösseren kartierten Störungen zeigen einen regellos orientierten kataklastischen Kern und ein dichtes Netzwerk von Brüchen, Harnischen und spröden Deformationsbändern in den Randzonen. Die einzelnen Störungen sind wahrscheinlich selten länger als ein Kilometer, bilden aber weiter ausgedehnte Störungszonen innerhalb derer die Gesamtverformung auf mehrere kleinere, fi ederartig oder konjugiert angeordnete Störungen verteilt ist. Die Orientierung der kartierten Strukturen ist durchgängig subvertikal. Dabei sind N-S bis NNE-SSW streichende Störungen sinistral und WNW-ESE bis NW-SE streichende Störungen dextral ausgebildet. Der aus den Strukturen und ihrer Kinematik bestimmte Paläostress zeigt eine im ganzen Arbeitsgebiet einheitliche NW-SE bis NNW-SSE gerichtete Kompression und entsprechende NE-SW bis ENE-WSW gerichtete Dehnung. Da Überprägungskriterien keine Systematik aufweisen, ist die Deformation als einphasig anzusehen. Die Verfügbarkeit einheitlicher Neuinterpretationen aller seismischen Linien (durch verschiedene Autoren und Koautoren) ergibt ein differenziertes Bild der Störungen im Untergrund, vor allem innerhalb der mesozoischen Einheiten. Im Gegensatz zu den an der Oberfl äche vorherrschenden Störungen mit N-S und WNW-ESE Streichen fi nden sich im Mesozoikum vor allem Störungen mit N-S und NE-SW Streichen, und nur untergeordnet solche mit WNWESE Streichen. Im Profi lschnitt weisen die Störungen vorwiegend Halbgrabengeometrien auf, doch ist ihr relativer Versatz zum Teil aufschiebend. Im Hinblick auf das südostwärts gerichtete regionale Einfallen der Schichten können einige der N-S streichenden Störungen auch als sinistrale, die WNW-ESE streichenden Störungen als dextrale Blattverschiebungen interpretiert werden. All diese Störungen wurzeln mit listrischen Verfl achungen in den triassischen Evaporiten. Die N-S und NE-SW streichenden Störungen werden als ältere, durch E-W und NW-SE gerichtete Dehnung entstandene Abschiebungen interpretiert, die während der späteren NW-SE gerichteten Kompression invertiert beziehungsweise reaktiviert wurden. Bereits die ältere Dehnung ist entlang der triassischen Evaporite von den tieferen Stockwerken entkoppelt. Die Deformationszonen aus der Oberfl ächenkartierung und die Störungen aus den Interpretationen seismischer Linien werden in einem dreidimensionalen kinematischen Modell des Arbeitsgebiets zusammengefasst. Nach diesem Modell verteilt sich die Deformation in der Horizontalen auf mehrere konkrete Blattverschiebungs- und Einengungszonen. In der Vertikalen ist sie geprägt durch die kinematische Entkoppelung des tertiären und mesozoischen Deckgebirges vom Grundgebirge entlang des triassischen Evaporithorizonts, sowie durch eine Teilentkopplung zwischen den vorstrukturierten mesozoischen Einheiten und der nicht vorstrukturierten tertiären Molasse. Die Teilentkopplung zwischen mesozoischen Einheiten und der tertiären Molasse ist im internen Teil des Arbeitsgebiets vollständig ausgebildet und durch die basale Abscherung der Subalpinen Molasse bedingt. Die NW-SE gerichtete Kompression fi ndet nach der Molassesedimentation statt und setzt mit der Bildung des Vorland-Falten- und Überschiebungsgürtels im oberen Miozän ein. Entsprechend der Herdmechanismen rezenter Erdbeben dauert sie bis heute an. Die E-W und NW-SE gerichtete Dehnung der mesozoischen Einheiten ist wahrscheinlich paläogenen Alters.
    Summary
    The western Swiss Molasse Basin is a fl exural foreland basin that presently is in a wedge-top position above a décollement formed in Triassic evaporites near the base of the underlying Mesozoic units. In front of the western Swiss Molasse Basin, the décollement tectonics led to folding and thrusting of the Jura Mountains. The latter are widely accepted to represent the thin-skinned foreland fold-and-thrust belt of the central Alps. In contrast to the Jura Mountains, the western Swiss Molasse Basin lacks larger tectonic structures. Folds are very low in amplitude and strike-slip faults are known only locally. It nevertheless can be considered as part of the foreland foldand- thrust belt, since it sits on top of the same detachment and since the boundary to the Jura Mountains is an erosional contact only. The boundary to the Alpine orogenic wedge s.s. is marked by the basal thrust of the Subalpine Molasse, representing a shallower and more internal detachment at the base of the Tertiary units. This study investigates the deformation of the western Swiss Molasse Basin in the larger Canton Fribourg area. Based on structural fi eld work, it shows that in addition to low amplitude folding, the western Swiss Molasse is affected by strike-slip deformation in a general NW-SE compressional stress fi eld. The mapped structures are fractures, slickensides, brittle deformation bands and faults as well as pressure solution pits on surfaces of conglomerate pebbles. The deformation is examined in terms of mechanics, geochemistry and its impact on regional tectonics. Deformation in the sandstones initiates with the formation of brittle deformation bands. The operating mechanism is grain crushing, porosity reduction and interlocking of grain fragments along planar zones. The interlocking leads to strain hardening, so that ongoing deformation forms new subparallel bands. Microscopic investigation of the brittle deformation bands from the Molasse show that fault gouges develop in the bands following the initial grain crushing. In these micro-fault gouges, regular foliation structures develop in alternation with chaotic structures, implying a cyclic change in deformation mode from instantaneous fracturing to continuous shear, i.e. from seismic to aseismic faulting on the micro-scale. The foliations are composed of fi brous palygorskite, a Mg-rich clay mineral that forms in the course of deformation. In contrast to grain interlocking, the appearance of palygorskite causes strain softening and hence strain accumulation in the fault gouges of the bands. X-ray diffraction analyses of fault gouges and host rock samples as well as electron dispersive spectroscopy of micro-fault gouges from brittle deformation bands revealed that palygorskite is common in fault zones on every scale, but absent in the host rock. Equilibrium calculations carried out with the host rock mineralogy and a variety of formation waters from the region revealed palygorskite to be stable, while chlorite (present in the host rock) is unstable in that confi guration and at surface temperatures. This implies a chlorite-consuming reaction for palygorskite formation triggered by deformation, i.e. by contact of the ground material with the fl uid phase. The populations of slickensides and brittle deformation bands mapped at different localities are arranged in pairs with synthetic and antithetic orientation and are interpreted as different shears of a Riedel system. The fractures can be subdivided into mode 1 cracks parallel to σ1 and sheared fractures parallel to the slickenside populations. The mapped faults comprise cataclastic fault cores and damage zones with dense networks of fractures, slickensides and brittle deformation bands oriented in Riedel-type geometries. The mapped faults rarely exceed one kilometre in length, but individual faults may compose larger fault zones in which shear is distributed. The orientation of the mapped structures is subvertical and kinematics are left-lateral strike-slip in the case of N-S orientation and right-lateral strike-slip in the case of WNW-ESE to NW-SE orientation. The calculated paleostress is NW-SE compression and uniform throughout the study area. Overprinting relationships show no system, which underlines that deformation is the response to only one stress regime. The availability of new interpretation of seismic surveys reveals the structures in the deeper levels of the study area, especially fault zones located in the Mesozoic units. While the Tertiary Molasse at the surface shows N-S striking and WNW-ESE striking faults, the Mesozoic units show considerably fewer WNW-ESE striking faults. In addition, the Mesozoic units also show NE-SW striking faults not present in the Tertiary Molasse at the surface. In cross-section, the faults in the Mesozoic units mostly show halfgrabens, although offset is partly reverse. Taking into account the regional tilt of the strata towards southeast, N-S striking faults can mostly be interpreted as left-lateral strike-slip faults and WNW-ESE striking faults as right-lateral strike-slip faults. All faults within the Mesozoic level root with listric terminations in the Triassic evaporites. The NE-SW and N-S striking faults are interpreted as former normal faults formed by E-W and NW-SE extension, respectively, that became inverted by NW-SE compression. The deformation zones derived from surface mapping and the structures revealed by the seismic interpretations are combined in a 3-D kinematic model of the study area. In this model, deformation is characterised by a kinematic decoupling of the Mesozoic and Tertiary levels along Triassic evaporites. In the internal parts a second decoupling is developed at the base of the Tertiary Molasse. It corresponds to the basal thrust of the Subalpine Molasse extending underneath the Plateau Molasse, with a blind end located about 10 km northwest of the most frontal imbricate of the Subalpine Molasse. Interaction of strike-slip faulting in the Plateau Molasse and thrusting at the front of the Subalpine Molasse indicate that deformation in both tectonic units is contemporaneous. The timing of deformation is poorly constrained by the data. NW-SE compression probably starts with the formation of the Jura Mountains-Molasse Basin foreland fold-and-thrust belt in the upper Miocene. It postdates the Oligocene-Miocene deposition of the Molasse as well as the E-W and NW-SE extension recorded in the Mesozoic units, which most likely took place in the Paleogene. The current seismicity of the region reveals that strike-slip faulting according to NW-SE compression, starting in the Neogene, is still active and partly related to the proposed deformation zones.