Evolution and geodynamic significance of the Upper Cretaceous Gosau basin in the Apuseni Mountains (Romania)

Abstract

The present-day shape of the Alpine chain is a consequence of Mesozoic to Tertiary plate movements within the Tethys region. As part of this orogen, the Apuseni Mts. were formed during the Upper Cretaceous convergence between the Tisia and Dacia microplates. The subduction of the Transylvanian ocean between the Tisia and Dacia microcontinents can be traced into the East-Alpine region, where the South Penninic ocean was subducted at the same time. In both orogens (the Apuseni Mts. and the Eastern Alps) an Upper Cretaceous basin evolved, which commonly is known as Gosau basin. This work focuses on the sedimentologic and geodynamic evolution of the Gosau basins of the Apuseni Mts. It combines various methods, which enable a reconstruction of the geological evolution in the sedimentation area and allow direct comparison to the well studied Austroalpine Gosau sediments in the Eastern Alps.

Sedimentologic records yield facies differences within the Apuseni Mts: the southern and eastern parts of the Apuseni Mts. record both, deep marine and shallow marine sediments, which, according to the Austroalpine definition, are grouped into the Lower Gosau Subgroup (shallow marine facies) and Upper Gosau Subgroup (deep marine facies). In the northern Apuseni Mts. only shallow marine sediments were deposited. Paleontological data constrain the stratigraphic range: sedimentation started in Upper Turonian time and ended in the uppermost Cretaceous. The sedimentation onset of the Lower Gosau Subgroup occurred diachronously with a lateral shift from southwest to northeast. The sedimentation onset of the Upper Gosau Subgroup does not show a diachronous pattern. Heavy mineral assemblages prove the erosion of areas lying on both sides of the elongated basin. Basin modeling based on vitrinite reflectance confirms maximum sediment thickness of approximately 3000 m, similar to what is know from the Eastern Alps. Fission-track age populations of detrital zircons from the Gosau sediments reflect three Mesozoic tectonothermal events in the hinterland: at 90 – 110 Ma, 130 – 150 Ma and 170 - 200 Ma. Two additional age populations record Paleozoic ages (250 – 300 Ma and ~ 400 Ma). The convergence of the Tisia and Dacia microplates resulted in a “soft” collision, which is indicated by non-resetting of detrital apatite fission-track ages from the Gosau sediments. However, there was increased exhumation in the crystalline hinterland, which is shown by thermal modeling of apatite fission-track lengths.

The achieved data lead to a reinterpretation of the plate tectonic evolution of the studied area and the proposal of a geodynamic model for the generation of such type of basins. Initial basin subsidence is a consequence of high-strain forced subduction with high frictional shear at the contact between the overriding and subducting plate, accompanied by flexure of the overriding plate and low basin subsidence rates during the deposition of the Lower Gosau Subgroup. Change to retreating subduction due to dehydrating and thus increasing slab density, accompanied by downward pull from the downbending plate, is responsible for the rapid basin subsidence and sedimentation of the Upper Gosau Subgroup. The installation of a cornerflow after the beginning of retreating subduction is inferred to be responsible for the Late Cretaceous banatite magmatism. Retreating subduction resulted in a “soft” continental collision, which occurred around the Cretaceous/Tertiary boundary.

The similarities to the Gosau occurrences of the Eastern Alps lead to direct correlation with the Alpine paleogeographic evolution and the assumption that a continuous ocean basin (South Penninic and Transylvanian ocean basin) has been consumed during Upper Cretaceous times. Depositioning of Upper Cretaceous flysch sediments (e.g. Bozes flysch, South Apuseni Mts.) occurred into a second basin, which is interpreted as a deep sea subduction-trench basin. The difference to the Gosau basin is supported by basin modeling based on vitrinite reflectance.

Die mesozoischen bis tertiären plattentektonischen Bewegungen im Tethysraum verursachten die gegenwärtige Form der alpinen Gebirgskette. Das Apusenigebirge ist Teil dieses Orogens. Es entstand als Folge der Konvergenz der beiden Mikroplatten Tisia und Dacia. Die hierfür verantwortliche Subduktion des Transilvanischen Ozeans kann bis in den ostalpinen Raum verfolgt werden. Hier wurde zur gleichen Zeit der Südpenninische Ozean subduziert. In beiden Orogenen (Apusenigebirge und Ostalpen) bildet sich während der Oberkreide ein Becken, das als Gosaubecken bezeichnet wird. Die vorliegende Arbeit richtet ihr Augenmerk auf die Gosauablagerungen des Apusenigebirges. Zur Untersuchung der Gosauabfolgen wurden unterschiedliche Methoden angewandt, mit deren Hilfe die geologische Entwicklung im Sedimentationsraum rekonstruiert werden kann und ein direkter Vergleich zu den alpinen Gosausedimenten ermöglicht wird.

Anhand von detaillierten sedimentologischen Untersuchungen wurden sedimentfazielle Unterschiede festgestellt: im südlichen und östlichen Apusenigebirge lagerten sich flachmarine und tiefmarine Sedimente ab, die, vergleichbar zu den Ostalpen, in Untere Gosau (flachmarine Fazies) und Obere Gosau (tiefmarine Fazies) eingeteilt werden. Im Nordapuseni wurden nur Flachwassersedimente abgelagert. Der stratigraphische Umfang der Gosauablagerungen ist durch paläontologische Untersuchungen für die Zeit vom obersten Turon bis ins oberste Maastricht eingegrenzt worden. Die Sedimentation der Unteren Gosau setzte diachron ein, wobei ein Wandern des Sedimentationsbeginns von Südwesten nach Nordosten festgestellt wurde. Der Wechsel zur Oberen Gosau findet ohne diachrones Wandern statt. Schwermineralanalysen zeigen Erosion und Sedimenttransport von beiden Seiten des länglich geformten Beckens. Die maximale Sedimentmächitgkeit der Gosausedimente wurde anhand von Beckenmodellierungen mit Hilfe von Vitrinitreflexion auf ca. 3000 m berechnet und weist ähnliche Werte wie die der ostalpinen Gosauabfolgen auf.

Aus den Spaltspurenaltern detritischer Zirkone wurden fünf Alterspopulationen separiert: drei mesozoische (90 – 110 Ma, 130 – 150 Ma und 170 – 200 Ma) und zwei paläozische (250 – 300 Ma und ~ 400 Ma), die thermische Überprägungen im Hinterland anzeigen. Die Konvergenz zwischen den Mikroplatten Tisia und Dacia führt zu einer „weichen“ Kollision, da die Spaltspurenalter detritischer Apatite aus den Gosauabfolgen keine postsedimentäre thermische Überprägung aufweisen. Thermische Modellierungen anhand von Apatit-Spaltspurenlängen des kristallinen Autochthons zeigen, daß die Kollision der beiden Krustenblöcke mit einer Hebung des Hinterlandes verbunden ist. Aufgrund dieser Daten wird die plattentektonische Entwicklung des Untersuchungsgebietes neu interpretiert und ein geodynamisches Modell für die Entstehung des Gosaubecken erstellt. Als Folge der erzwungenen Subduktion und der damit verbundenen hohen Spannung an der Kontaktfläche zwischen der Oberplatte und der subduzierten Kruste wurde in der Oberplatte eine Flexur erzeugt. In dem hierdurch gebildeten flachmarinen Becken wurden die Sedimente der Unteren Gosau abgelagert. Aufgrund der Dehydrierung und Dichtezunahme der subduzierten ozeanischen Kruste wurde ein Wechsel im Ablauf der Subduktionsprozesse eingeleitet. Die nun folgende rückschreitende Subduktion war Ursache für die rasche Beckensubsidenz im Sedimentationsraum. Eine im Mantelkeil einsetzende Konvektion mit Winkelfluß war für den kalk-alkalinen Banatit-Magmatismus verantwortlich. Als Folge der rückschreitenden Subduktion kam es zu einer „weichen“ Kollision an der Kreide/Tertiär Grenze.

Die Ähnlichkeiten zu den Gosau Abfolgen der Ostalpen ermöglichen eine Korrelation der beiden Sedimentationsräume und führen zur Annahme, daß ein von den Ostalpen bis zum Apuseni Gebirge durchgehender Ozean (Südpenninischer und Transilvanischer Ozean) während der Oberkreide subduziert wurde. Zeitgleich zur Gosausedimentation wurden im Südapuseni bis in die oberste Kreide Turbidite (Bozes Flysch) in eine Tiefseerinne abgelagert. Beckenmodellierungen mit Hilfe von Vitrinitreflexion zeigen deutliche Unterschiede dieser beiden Sedimentationsräume und legen somit den Schluß nahe, daß während der Oberkreide zwei unterschiedliche Becken im Apusenigebirge existierten.