Abstract:
In Geologische Quelle-Senke-Systemen bewahren Becken die Erosionspro-dukte der Quelle auf und zeichnen die Entwicklung der Erdoberfläche auf., wodurch sich Rückschlüsse auf Klima, Tektonik und andere Prozesse ziehen lassen. Zudem enthalen Becken wichtige Ressourcen wie Trinkwasserreser-voire und Ziele, die für geologische Anwendungen im Rahmen der Energie-wende von entscheidender Bedeutung sind (z. B. geothermische Wärmeer-zeugung, Kohlenwasserstoffe, und Speicherstätten für CO2). Da sich die stratigrafischen Signale verschiedener Beckenbildungsmechanismen über-schneiden, ist unklar, welcher dominiert. ... mehrEin besseres Verständnis ihrer Weschselwirkungen ist entscheidend, um Ressourcen gezielt zu nutzen und Explorationsrisiken zu minimieren.
In dieser Arbeit habe ich untersucht, welche(r) Mechanismen/Mechanismus vorrangig für einen Diachronen Übergang von Unterfüllung zu Überfüllung in Vorlandbecken verantowrlich ist/sein. Im Fokus standen die tektonischen Signale von Da slab breakoff- and trearing, wie sie in der synorogenen Beckenfüllung erkennbar sind. Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein multidisziplinärer und multiskaliger Ansatz gewählt, der eine tektonostrati-graphische Analyse mit einer 2D-stratigraphischen Vorwärtsmodellierung eines durch slab breakoff beeinflussten Orogenen-Vorland-Beckensystems verbindet. Zu diesem Zweck nutzen wir das Alpen-Molasse-Becken-System als natürliches Labor.
In Kapitel 2 wird eine detaillierte tektonostratigraphische Analyse des Molas-sebeckens auf der Grundlage von Reflexionsseismik, Kalibrierungsbohrun-gen, bestehenden Untergrundmodellen und Literatur vorgestellt. Die Ergeb-nisse zeigen, dass die Subduktion und Kollision des unregelmäßigen Europäi-schen Kontinentalrandes zu einer diachronen Kollision zwischen der Europä-ischen und der Adriatischen Platte führte. Dies wiederum führte zu räumlich und zeitlich variablen slab breakoffs, die eine orogenparallele Variation des Sedimentangebots zur Folge hatten. Dies gipfelte in dem diachronen Über-gang von der Unterfüllung zur Überfüllung des Molassebeckens.
Kapitel 3 untersucht quantitativ das seismische Wachstum von synflexiblen Abschiebungen in einem Vorlandbecken und stellt eine Verbindung zu den Mechanismen her, die die Biegung kontrollieren. Die Ergebnisse führen zu einem neuen 4D-Modell des synflexuralen Wachstum von Abschiebungen in Vorlandbecken. Darüber hinaus zeigen die beckenorthogonalen zeitlichen Schwankungen der Störungsentstehung die Migration der Vorgebirge. Zudem zeigen von Westen nach Osten zunehmende kumulative Offsets, dass Variationen in der lithosphärischen Festigkeit der unteren Platte entlang des Strangs zur Biegeverteilung und damit zur Beckenarchitektur bei.
Kapitel 4 untersucht die Mechanismen, die die orogenwärts gerichtete forebulge migration antreiben. Die Integration seismischer Interpretationen mit seminumerischen Modellen zeigt, dass eine erhöhte topographische Belastung der stationären Ostalpen vorübergehend eine orogenwärts gerich-tete forebulge migration verursachte. Diese Veränderung der Beckenarchi-tektur war jedoch nur von kurzer Dauer, und die Kontrolle der topographi-schen Belastung wurde relativ schnell durch andere Mechanismen über-schattet.
In Kapitel 5 wird das tektonostratigraphische Signal von slab breakoff in Vorlandbecken mithilfe 2D geodynamischer und stratigraphischer Modelle untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Platteneinschnürung und -abbruch einer isostatischen Hebung von Beckenboden und Gebirge führt, was die Sedimentzufuhr erhöht. Dadurch ändert die Ablagerung von aggradational zu progradational, gleichzeitig mit Körnervergrößerung. Die Hebung des Be-ckenbodens ist von erster Ordnung für diese Übergänge. Diese Veränderun-gen in der Ablagerung sind bei breakoff von steilerem slabs in einem Mantel mit niedriger Viskosität stärker ausgeprägt.
Abschließend werden in Kapitel 6 die Ergebnisse hinsichtlich der Hierarchie der Mechanismen, die die Architektur der Vorlandbecken steuern, sowie der tektonostratigraphische Fingerabdruck von slab breakoff zusammenge-fasst. Darüber hinaus wird ein umfassendes tektonostratigraphisches Modell der Entwicklung des Alpen-Molasse-Becken-Systems vorgestellt. Abschlie-ßend stelle ich die verbleibenden offenen Fragen vor und empfehle, wie sie angegangen werden können.
Abstract (englisch):
In source-to-sink systems, sedimentary sinks (i.e., basins) preserve the ero-sional products of the source, transcribing the Earth’s surface evolution. geologists can read these records reconstruct the climatic, eustatic, biologic, and tectonic history. Basins records are essential to help us understand the effects of climate change on weather patterns. Furthermore, basins host crucial resources such as drinkwater reservoirs and targets vital for geologi-cal applications involved in the energy transition (e.g., geothermal heat production, storage sites, and critical minerals such as Lithium or Copper). ... mehrHowever, overlap of the signals of basin-forming mechanisms obscure which of these is dominant in controlling basin architecture. To optimize resource use and decrease exploration risks, it is paramount to understand the inter-action between these mechanism(s) and how they control basin architecture.
In this thesis, I aimed to investigate which mechanism(s) is/are of primary importance in causing along-strike variations in foreland basin architecture and a diachronous underfilled to overfilled transition. Because slab breakoff and lateral tearing are often hypothesised as dominant drivers for these features, defining their signals as recorded by the synorogenic basin fill was of particular interest. To tackle these goals, a multidisciplinary and multiscale approach integrates a tectonostratigraphic analysis with 2D forward strati-graphic modelling of an orogen-foreland basin system influenced by slab breakoff. To this end, we use the Alps-Molasse Basin system as a natural laboratory.
Chapter 2 presents a detailed basin-scale tectonostratigraphic analysis of the Molasse Basin based on reflection seismic, calibrating wells, existing subsur-face models, and literature. Comparing the Molasse Basin's evolution to that of the Alps demonstrates that subduction and collision of the irregular European margin resulted in a diachronous collision between the European and Adriatic plates. This, in turn, led to spatiotemporal variable slab break-off(s), causing orogen-parallel variation in sediment supply. This culminated in the diachronous underfilled to overfilled transition in the Molasse Basin.
Chapter 3 quantitatively examines seismic-scale syn-flexural normal fault growth in a foreland basin, linking this to mechanisms controlling flexure, using the Molasse Basin as a case study. The results lead to a new 4D syn-flexural normal fault growth model in foreland basins. Additionally, basin-orthogonal temporal variations in fault nucleation record forebulge migra-tion. Furthermore, west-to-east increases in cumulative offsets evidence that along-strike variations in topographic loads and crustal strength did not primarily control the distribution of flexure. Instead, along-strike variations in lithospheric strength of the lower plate did contribute to the flexure distri-bution and, thereby, basin architecture.
Chapter 4 explores mechanisms driving orogenward forebulge migration, using the Aquitanian-Burdigalian narrowing of the Eastern German Molasse as a case study. Integration of seismic interpretations with semi-numerical models demonstrates that increased topographic loading of the stationary Eastern Alps temporarily caused orogenward forebulge migration. However, this change in basin architecture was short-lived, and other mechanisms quickly overshadowed the control of topographic loading on foreland flex-ure.
Chapter 5 evaluates the tectonostratigraphic signal of slab breakoff in fore-land basins using a one-way coupling workflow between 2D geodynamic slab breakoff models and forward stratigraphic models. Results show that slab necking- and breakoff cause isostatic rebound of the basin floor and adjacent mountain range, with the latter forcing increased sediment supply. This forces a change from aggradational to progradational deposition concurrent with a coarsening upward trend, potentially leading to an underfilled to overfilled transition. For this transition, basin floor uplift is of first-order importance. These changes in deposition are more pronounced for steeper slabs in a low-viscosity mantle setting.
Lastly, Chapter 6 summarises the results regarding the hierarchy of mecha-nism(s) controlling foreland basin architecture, as well as the tectonostrati-graphic fingerprint from slab breakoff. Furthermore, an overall tectonostrati-graphic model of the evolution of the Alps-Molasse Basin system is present-ed. Finally, I present remaining open questions and suggest how to tackle them.
