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Doctoral thesis

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The Development of the Jura Fold-and-Thrust Belt: pre-existing Basement Structures and the Formation of Ramps

SPR

  • Fribourg Suisse) : Département de géosciences - Sciences de la terre, Université de Fribourg (Suisse), 2021

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Thèse: Université de Fribourg (Suisse), 2021

Published in:
  • GeoFocus. - 2021, vol. 50
English German Pre-existing faults in the pre-Mesozoic basement arebelieved to play an important role in controlling deformationof the thin-skinned Jura Mountains fold-and-thrustbelt (JFTB), which constitutes the northernmost extensionof the Western and Central European Alps. The JFTBwas detached in Triassic evaporites during Middle Mioceneand Pliocene compression, exerted by the Alps. Priorto this, the Northern Alpine Foreland (NAF) was intenselypre-structured by faults, partially inherited from Palaeozoictimes, that were active during the Mesozoic and Cenozoicstructural evolution of continental Europe. In order to understand the connection between thethin-skinned JFTB formation and pre-existing basementstructures, different datasets were compiled: this studyprovides an up-to-date homogenised structural map ofthe whole JFTB, a unified deep-borehole database, thicknessmodels across the JFTB and surroundings of 9lithostratigraphic units (comprising Mesozoic and Tertiarysediments), geological cross-sections across the ExternalJura, an elevation model of the top of the pre-Mesozoicbasement, new U-Pb calcite ages of a slickenfibre and avein in the External Jura, a brittle-viscous analogue modellingstudy testing basement controlled oblique-ramps anda kinematic forward model of a section in the External Jurathat integrates pre-JFTB extensional phases. The décollement of the JFTB is predominantly in saltbearingunits of the Middle and Upper Triassic evaporites(or evaporites of the Muschelkalk Group and KeuperGroup, respectively). The main décollement level inthe Eastern Jura concentrates within the Middle Triassicevaporite layers, whereas in the Central and SouthernJura, the main décollement is in Upper Triassic evaporites(Deville 2021; Philippe et al. 1996). This correlateswith thickness centres on isopach maps. Furthermore, isopachmaps suggest that the Middle Jurassic Group (DoggerGroup) predominantly hosts upper detachments in theEastern Jura, whereas upper detachments in the Centraland Southern Jura are rather in the Lower Jurassic Group(Lias Group). In the Mesozoic cover of the External Jura, normal faultsystems are documented, which are mainly connectedto the formation of the European Cenozoic Rift System(ECRIS), which has an Eo-Oligocene age (Illies 1972; Ziegler1992a). Extensional structures in the Mesozoic cover,which are linked to the formation of the Cenozoic rift system,are mostly identified within faisceaux of the CentralJura and are transported north-westwards above the basaldécollement in Triassic evaporites, away from their origin inthe basement. The pre-Mesozoic basement underneaththe External Jura shows sudden regional offsets (basementfaults) with vertical throws of up to 450 m to 600m. These offsets in the External Jura are mainly attributedto the formation of the ECRIS and to Oligo-Mioceneflexural faulting during the migration of the Alpine foredeep. Therefore, basement faults in the External Juraare suggested to pre-date the Mio-Pliocene formation ofthe JFTB. Basement offsets due to the formation of theECRIS can form both, upward basement steps and downwardbasement steps in the direction of transport of theJFTB. Basement faults in connection with the formationof the flexural Alpine foreland basin rather provide upwardbasement steps. Analogue models testing oblique coverstructures controlled by basement faults and comparisonto natural structures in the Internal Jura suggest that preexistingbasement steps of several hundred metres alsoexist beneath the Internal Jura and the Molasse Basin. Basement steps in these domains are rather proposed tooriginate from flexural faulting in Oligocene times. Basementfaults active during Cenozoic times are proposed tohave predominantly followed inherited structural seeds ofthe Variscan orogeny. The front of the JFTB is essentially pre-determined bythe formation of the ECRIS. Underneath the western frontof the JFTB (Faisceau lédonien, Revermont), the NNE–SSW striking Bresse Graben border fault zone shows cumulativevertical offsets of up to ~2.8 km. This was anexceedingly high downward step in the direction of tectonictransport of the JFTB and blocked a further propagationof the front of the JFTB. Downward steps that localisedthe front of the JFTB are also detected underneaththe northern front of the JFTB, connected to the Rhine–Bresse Transfer Zone (RBTZ, underneath the Faisceaudes Avant-Monts) and the Upper Rhine Graben (URG, underneaththe Ferrette Zone). In addition, uplift of ECRISrift shoulders (up to ~930 m) that started in Eocene timesled to several hundred metres erosion of Mesozoic sedimentstowards the front of the future Jura. Uplift in connectionwith the Alpine forebulge caused decidedly lesserosion than uplift in connection with ECRIS rift shoulders,because flexural uplift did not exceed about 350 m andthe forebulge did not remain stationary. The topography ofthe pre-Mesozoic basement suggests that the present-dayforebulge crest lies to the north of the JFTB in the RBTZ.Accordingly, the northern portion of the central ExternalJura lies in the present day forebulge depo-zone whereasthe rest of the JFTB (Southern Jura, southern Central Jura,Internal Jura, Eastern Jura) is in the present-day foredeep. The pre-Mesozoic basement underneath the External Jurashows moderate inclinations that are commonly 1.5° orsmaller. Underneath the Internal Jura, basement inclinationsare mostly between 2° and 3°. The low basementinclination of the External Jura seemed to have fosteredthe formation of kilometric plateaus. In summary, this study confirms an important influenceof the basement on the structural development of the JFTBand different structural domains of the JFTB can be partiallyconnected to local basement configurations. Newfaults in the pre-Mesozoic basement of the Jura Mountains(and Molasse Basin) are proposed. Orientationsand throws of basement faults are characterised and lithosphericprocesses that led to their formation are evaluated.The concepts of this study may be applied to other thinskinnedfold-and-thrust belts worldwide that formed abovepre-existing basement structures. Der Jura Falten- und Überschiebungsgürtel (fold-andthrustbelt) ist die nördlichste Erweiterung der westlichenund zentralen Alpen im tektonischen Sinn. Er besteht ausder deformierten, dünnen Sedimenthaut des europäischennördlichen Alpenvorlandes, welches während dem mittlerenMiozän bis unteren Pliozän in triassischen Evaporitenabgeschert wurde als Folge Nordwest gerichteter alpinerKompression. Vor der Entstehung des Juragebirges wardas nördliche Alpenvorland bereits maßgeblich vorstrukturiertund enthielt Brüche, teilweise aus dem Paläozoikumstammend, die während der mesozoisch-känozoischenstrukturellen Entwicklung der europäischen Lithosphärewiederholt aktiv waren. Laubscher (1961) schlägt vor, dassdie Deformation des Jura Falten- und Überschiebungsgürtelserheblich durch präexistente Brüche im prämesozoischenSockel gesteuert wurde. Um die Verbindung zwischen Juragebirge und vorherexistierenden Sockelstrukturen zu verstehen, wurden verschiedeneDatensätze angelegt: diese Studie enthält eineaktualisierte und homogenisierte Strukturkarte desJuragebirges, ein vereinheitlichtes Tiefenbohrlochinventar,Mächtigkeitskarten des Juragebirges und Umgebungvon neun lithostratigrafischen mesozoischen und känozoischenEinheiten, geologische Profile durch den externenJura, eine Höhenkarte des vormesozoischen Sockels,neue U-Pb Kalzitalter von einem Rutschharnisch und einerKalzitader im externen Jura, eine Analogmodellstudie, welcheden Einfluss von Sockelsprüngen auf schräge Rampentestet und schließlich, ein vorwärts modelliertes, geologischesProfil durch den externen Jura. Die basale Überschiebung des Juras befindet sichhauptsächlich in Halit führenden Einheiten triassischerEvaporite. Die Überschiebung konzentriert sich in denmittleren triassischen Evaporitschichten (Evaporite derMuschelkalk-Gruppe) im östlichen Jura, wohingegen sichdie basale Überschiebung im zentralen und südlichen Juravorwiegend in den oberen triassischen Evaporiteinheiten(Evaporite der Keuper-Gruppe) befindet (Deville 2021;Philippe u. a. 1996). Die Präsenz der Überschiebung korreliertmit Mächtigkeitszunahmen (Überdickungen) der jeweiligentriassischen lithologischen Einheit. Zudem weisenÜberdickungen der mittleren Juraschichten (Dogger Gruppe)auf obere Überschiebungsbahnen im östlichen Jurahin, während sich obere Überschiebungsbahnen im zentralenund südlichen Juragebirge eher in den unteren Juraschichten(Lias Gruppe) befinden. Die mesozoische Sedimentdecke des externen Jurasenthält Abschiebungssysteme, welche auf die Eo- undOligozäne Entstehung des europäischen känozoischenRiftsystems zurückgeführt werden (Illies 1972; Ziegler1992a). Extensionsstrukturen in der mesozoischen Sedimentdecke,die im Zusammenhang mit dem känozoischenRiftsystem stehen, werden hauptsächlich innerhalb vonFaisceaux des zentralen Juras dokumentiert. Sie sind überder basalen Abscherung des Juragebirges Richtung Nordwesttransportiert, weg von ihrenWurzeln im Sockel. Unterdem externen Jura werden Sprünge im vormesozoischenSockel identifiziert, welche maximale vertikale Versätzezwischen 450 m bis 600 m aufweisen. Im externen Jurasind diese Versätze hauptsächlich auf die Entstehung deseuropäischen känozoischen Riftsystems zurückzuführenund auf Abschiebungen im Zusammenhang mit der Oligozänenbis Miozänen Migration der Vortiefe (foredeep). Somitwerden Sockelbrüche unter dem externen Jura als präexistentverstanden. Sockelversätze im Zusammenhangmit dem känozoischen Riftsystem formen auf- sowie absteigendeSockelstufen in Transportrichtung des Juragebirges. Sockelbrüche im Zusammenhang mit dem nordalpinenVorlandbecken formen hauptsächlich aufsteigendeSockelstufen. Analogmodelle mit Sockelbrüchen und Vergleichemit natürlichen Strukturen im internen Jura weisendarauf hin, dass Sockelbrüche mit Versätzen von mehrerenhundert Metern (mindestens ca. 400 m) auch unterdem internen Jura und dem Molassebecken vorkommen. Allerdings sind diese Sockelbrüche hauptsächlich auf dieMigration der Vortiefe während des Oligozäns zurückzuführen. Sockelbrüche die während des Känozoikums aktivwaren scheinen vorwiegend Strukturen zu folgen, die bereitswährend der variszischen Orogenese angelegt wurden.Die Front des Juragebirges ist erheblich durch Brüchedes europäischen känozoischen Riftsystems vorgegeben. Unter der westlichen Front des Juragebirges (Faisceau lédonien,Revermont) zeigt die SSW–NNO orientierte Randbruchzonedes Bressegrabens kumulative vertikale Versätzevon bis zu ca. 2.8 Kilometer. Diese ausserordentlichhohe, absteigende Sockelstufe (in tektonischer Transportrichtungdes Juragebirges) verhinderte ein weiteres Fortschreitender Jurafront. Eine Lokalisierung der Jurafrontan absteigenden Sockelstufen wird ausserdem unter dernördlichen Front des Juragebirges beobachtet (in Verbindungmit der Rhein–Bresse Transferzone), sowie in derFerrette Zone (in Verbindung mit dem Oberen Rheingraben). Hebung der Riftschultern des Bresse- und Rheingrabens(max. ~930 m unter dem Juragebirge) setzte bereitsim Eozän ein und führte zu mehreren hundert Metern Erosionmesozoischer Sedimente im Frontalbereich des Juragebirges,vor seiner Entstehung. Tektonische Hebung imZusammenhang mit der Vorlandwölbung (forebulge) warmaximal 350 m und blieb ausserdem nicht stationär, deshalbführte die Vorlandwölbung zu deutlich weniger Erosionals Hebung in Zusammenhang mit Riftschultern. Die Topografie des vormesozoischen Sockels deutetdarauf hin, dass der Scheitel der heutigen Vorlandwölbungnördlich des Juragebirges liegt, in der Rhein-Bresse Transferzone. Somit liegt der nördliche Teil des zentralen, externenJuras auf der heutigen Vorlandwölbung, wohingegender Rest des Juragebirges (südlicher Jura, südlicher Teildes zentralen Juras und östlicher Jura) in der heutigen Vortiefeliegt. Die Oberfläche des vormesozoischen Sockelsunter dem externen Jura zeigt moderate Einfallwinkel vonmeist 1.5° und weniger, Richtung Nordwest und Südost. Diese kleinen Einfallwinkel scheinen die Entstehung der kilometerweitenPlateaus des externen Juras begünstigt zuhaben. Unter dem internen Jura fällt der Sockel im Schnitt2° bis 3° Richtung Südost ein. Zusammenfassend bestätigt diese Studie einen bedeutendenEinfluss des Sockels auf die strukturelle Entwicklungdes Juragebirges und einzelne strukturelle Einheitendes Juragebirges können auf lokale Sockelkonfigurationenzurückgeführt werden. Neue Brüche im vormesozoischenSockel des Juragebirges (und auch im Sockel des Molassebeckens)werden vorgeschlagen. Orientierungen undvertikale Versätze von Sockelbrüchen werden charakterisiertund verursachende lithosphärische Prozesse werdeneruiert. Die erarbeiteten Konzepte dieser Studie könnenauf andere Falten- und Überschiebungsgürtel angewendetwerden, welche über einem vorstrukturierten Sockelentstanden sind.
Faculty
Faculté des sciences et de médecine
Department
Département de Géosciences
Language
  • English
Classification
Earth sciences
Series statement
  • GeoFocus ; volume 50
Notes
  • Ressource en ligne consultée le 2022-02-03
License
CC BY
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gold
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