Cooling history and relief evolution of Corsica (France) as constrained by fission track and (U-Th)/He thermochronology

Abstract

The island of Corsica in the Western Mediterranean represents a natural laboratory for studying the processes of cooling, exhumation, and relief formation, since there are several advantageous features that make Corsica an excellent study area. In a relatively small territory, two distinct principal domains are distinguished: (i) Alpine Corsica, a complex nappe stack dominated by metamorphic rocks of oceanic origin metamorphosed during the Alpine orogeny; and (ii) Variscan Corsica, a well-exposed Variscan crystalline basement made up mainly of unmetamorphosed granitoid rocks. Geodynamic evolution is characterized by Mesozoic extension and opening of the Ligurian-Piedmont Ocean, followed by middle Late Cretaceous to Eocene shortening, resulting in Alpine collision when the Alpine nappes were thrust onto the Variscan basement. In the Oligocene, the tectonic regime changed from a compressional to an extensional one, and continuous rollback of a newly evolved Apenninic subduction zone led to collapse of the Alpine wedge, rift inception merging to ocean spreading, and drifting of the Corsica-Sardinia block away from the European mainland. At present, the Corsica-Sardinia block is a micro-continent surrounded by two oceanic domains. From the geomorphological standpoint, Variscan Corsica represents an outstanding ridge-and-valley structure with peaks exceeding 2000 m in elevation, where the most spectacular features are paleosurface remnants of unknown age preserved at elevations between 200 and 2300 m. The aim of this study is to investigate the thermal and exhumation history and relief evolution of Corsica, and to constrain the age of paleosurface remnants through the use of three low-temperature dating techniques: zircon fission track (ZFT), apatite fission track (AFT) and (U-Th)/He thermochronology. Each of these methods has a characteristic temperature sensitivity of between ~200-300°C, ~60-120°C, and ~40-75°C, respectively, which makes it possible to detect temperature changes in uppermost crust that can be induced by deposition or removal of rock masses by erosion or tectonic processes, or by changes in topographic relief. Previous thermochronological studies primarily focused on investigating the inversion of the Alpine wedge in NE Corsica, whereas the major part of Variscan Corsica is virtually unexplored. This study concentrates specifically on these regions with the highest relief and paleosurface remnants. Altogether 3 ZFT, 67 AFT and 40 (U-Th)/He analyses were performed on samples from the Variscan basement and Eocene flysch sediments. The data published in other studies were carefully revised according to strictly defined criteria and fully integrated into the actual dataset. ZFT analyses from the central part of the Variscan basement yield ages between 144.6 ± 10 and 159.2 ± 9.8 Ma. These ages record a thermal event related to the Jurassic opening of the Ligurian-Piedmont Ocean. Inferring from the data of other studies it can be concluded that the ZFT system in the eastern margin of Variscan Corsica was partially reset during Eocene metamorphism, and that during the Cretaceous there was no thermal event affecting Variscan Corsica. In Alpine Corsica, ZFT data together with 40Ar/39Ar data bracket the time of tectonic denudation of Alpine units between ~33 and 19 Ma. AFT data range from 16.4 ± 1.4 to 105.3 ± 7.2 Ma, AFT ages from Eocene flysch are all completely reset. Based on the AFT data and thermal modeling results the cooling history of Corsica can be reconstructed as follows: after the Jurassic thermal event related to opening of the Ligurian-Piedmont Ocean, the basement was cooling to near-surface conditions where it remained until the Early Paleocene. Since the Late Paleocene, the basement was progressively buried below sediments of the foreland basin, and later during Eocene collision it was partly covered by Alpine nappes. At the end of the Eocene, all of Variscan Corsica had been covered by a thick pile of rocks, leading to a total reset of the AFT system in the major part of the basement. In the Oligocene, after tectonic reorganization, the basement started to exhume, which led to the removal of the thick cover from the top of the basement. The removal of the cover occurred by erosional denudation in the major part of Variscan Corsica, as well as by tectonic denudation in the NE part of the island. AFT ages from the NW part of the basement record an Early Miocene thermal event associated with the opening of the Ligurian-Provençal Ocean. (U-Th)/He analysis was performed on 12 samples from nine different paleosurface remnants, and yield ages between 16.0 ± 2.3 and 22.1 ± 0.9 Ma. There are no obvious differences in He age between different paleosurface remnants, although the vertical distance in some cases is more than 1600 m. This indicates that all paleosurface remnants in Corsica have their origin in one single paleosurface. Segmentation of the paleosurface and differential uplift of individual blocks happened after the time of cooling through the temperature zone sensitive to the (U-Th)/He system. The age of the paleosurface formation is bracketed on the basis of FT data, thermal modeling results and consideration of stratigraphic and structural data, between ~120 and 60 Ma. During Eocene collision, the paleosurface was buried by a thick flysch pile and was thus protected from destruction. In the Oligocene, the paleosurface started to exhume and the cover was removed. During the Miocene rotation, the paleosurface was cut by faults, and at ~17 Ma the region was uplifted by differential block movements, creating relief and inducing valley incision. This event can be understood as an onset of peneplain destruction that occurred mainly by fault-induced valley incision and widening. The data presented in this study bring new light to the understanding of the thermal, tectonic and morphological evolution of Corsica and provide new insight on the geodynamic evolution of the Western Mediterranean realm. Moreover, the results demonstrate that different low-temperature dating techniques used in tandem have great potential for unraveling the thermal history of rocks at shallow depth, and can significantly reduce the number of "acceptable solutions" obtained when using only one method. Furthermore, it is shown that after proper revision, it is possible to integrate several, otherwise contradicting, FT datasets.

Die Insel Korsika im westlichen Mittelmeer stellt ein natürliches Labor dar, um Prozesse wie Abkühlung, Exhumierung und Reliefbildung zu studieren. Es gibt mehrere Vorteile, die Korsika zu einem guten Forschungsobjekt machen. Auf relativ engem Raum finden sich zwei deutlich unterschiedliche Bereiche: (i) Alpines Korsika: ein komplexer Deckenstapel aus Metamorphiten ozeanischen Ursprungs, welche während der alpidischen Orogenese metamorphisiert wurden; (ii) Variszisches Korsika: Grundgeborge, welches hauptsächlich aus unmetamorphen Granitoiden besteht. Die geodynamische Entwicklung von Korsika lässt sich folgenermaßen darstellen: mesozoische Extensionstektonik. Bei der Öffnung des Ligurisch-Penninischen Ozeans, gefolgt von mittelkretazischer bis eozäner Einengung, mit der daraus resultierenden Kollision wurden die alpinen Decken auf das variszische Grundgebirge aufgeschoben. Im Oligozän änderte sich das tektonische Regime von Kompression zu Extension. Zurückrollen der jungen apenninischen Subduktionszone führte zu einem Kollaps des alpinen Orogens Korsikas, und beginnendes Rifting zur Abspaltung des korsisch-sardischen Blocks vom europäischen Festland. Der heutige korsisch-sardische Block stellt einen Mikrokontinent dar, der von zwei ozeanischen Bereichen umgeben ist. Aus geomorphologischer Sicht ist das Variszische Korsika eine Struktur mit parallel angeordneten Rücken und Tälern mit Gipfeln von mehr als 2000 m Höhe. Hier finden sich, zwischen 200 und 2300 m Seehöhe, Reste von Altflächen unbekannten Alters. Ziel dieser Arbeit ist es, die thermische Geschichte sowie die Exhumierung und Reliefentwicklung von Korsika zu erforschen. Hierzu sollten die Alter der Altflächen mittels drei Methoden der Niedrigtemperatur-Thermochronologie ermittelt werden: Datierung mit Hilfe der Zirkon-Spaltspuren-Methode (ZFT), der Apatit-Spaltspuren-Methode (AFT) und der (U-Th)/He-Methode. Jedes dieser Mineralsysteme hat unterschiedliche Intervalle für die Schließungstemperatur: ~200-300ºC, ~60-120ºC beziehungsweise ~40-75ºC. Diese Temperaturspektren machen es möglich, Veränderungen in der oberen Kruste zu bestimmen, die z. B. auf die Ablagerung von Gesteinen, oder deren Entfernung durch Erosion oder tektonische Prozesse sowie durch Veränderungen der Topografie zurückzuführen sind. Frühere thermochronologische Untersuchungen konzentrierten sich auf die Inversionstektonik des alpinen Deckenkeils in NE-Korsika, wohingegen der größte Teil des Variszischen Korsikas unerforscht blieb. Diese Arbeit konzentriert sich speziell auf diesen variszischen Teil mit seinem höheren Relief und größeren Anteil an Altflächen. Insgesamt wurden 3 ZFT-, 67 AFT- und 40 (U-Th)/He-Analysen vom variszischen Grundgebirge und vom eozänen Flysch gemacht. Daten von anderen Publikationen wurden sorgfältig recherchiert, um sie in den aktuellen Datensatz einzubauen. ZFT-Analysen vom zentralen Teil des variszischen Grundgebirges führen zu Altern zwischen 144.6 ± 10 und 159.2 ± 9.8 Ma. Diese Daten zeigen ein thermisches Ereignis, welches mit der Öffnng des Ligurischen-Penninischen Ozeans im Jura zusammenhängt. Zusammen mit Daten von anderen Publikationen kann die Schlußfolgerung gezogen werden, dass das ZFT-System im östlichen Teil des Variszischen Korsikas durch Metamorphose im Eozän teilweise zurückgesetzt wurde, und dass während der Kreide keine thermische Beeinflussung erfolgte. Im Alpinen Korsika zeigen ZFT-Analysen und 40Ar/39Ar-Daten, dass die tektonische Denudation dieser Einheiten zwischen ~33 und 19 Ma erfolgte. AFT-Alter erstrecken sich zwischen 16.4 ± 1.4 Ma und 105.3 ± 7.2 Ma, wobei die Alter im eozänen Flysch vollständig zurückgesetzt wurden. Aufgrund der AFT-Alter und einer thermischen Modellierung kann die Abkühlgeschichte von Korsika folgendermaßen rekonstruiert werden: nach der Öffnung des Ligurisch-Penninischen Ozeans im Jura kühlte das Grundgebirge bis zu oberflächennahen Bedingungen ab, unter denen es bis ins frühe Paläozän verblieb. Seit dem späten Paläozän wurden die Grundgebirgseinheiten von Sedimenten bedeckt und später bei der eozänen Kollision teilweise von alpinen Decken überlagert. Gegen Ende des Eozäns wurde das gesamte Variszische Korsika von mächtigen Sedimenten bzw. den alpinene Decken überlagert, was zur totalen Umstellung des AFT-Systems führte. Im Oligozän begann die Exhumierung des Grundgebirges und die damit verbundene Abtragung der Bedeckung. Die Abtragung erfolgte durch Erosion im Hauptteil des Variszischen Korsikas und durch tektonische Denudation im NE-Teil der Insel. AFT-Alter vom NW-Teil des Grundgebirges zeigen ein frühmiozänes thermisches Ereignis, welches mit der Öffnung des Ligurisch-Provençalischen Ozeans zusammenhängt. (U-Th)/He-Analysen wurden an 12 Proben von 9 verschiedenen Altflächen vorgenommen. Sie ergaben Alter zwischen 16.0 ± 2.3 und 22.1 ± 0.9 Ma. Es bestehen keine ersichtlichen Unterschiede in den He-Altern zwischen den verschiedenen Altflächen, obwohl in manchen Fällen der Hohenunterschied mehr als 1600 m beträgt. Das bedeutet, dass alle Altflächen in Korsika ihren Ursprung in einer einzigen Altfläche haben. Die Zerlegung bzw. Segmentierung der Altflächen und die differentielle Hebung individueller Blöcke erfolgte nach der Abkühlung unter die Schließungstemperatur des (U-Th)/He-Systems. Das Bildungsalter der Altflächen wird durch FT Daten, thermische Modellierung und unter Berücksichtingung von Stratigraphie und Strukturdaten auf ~120 bis 60 Ma eingegrenzt. Während der eozänen Kollision waren die Altflächen von einem mächtigen Flyschstapel überdeckt und so vor Erosion geschützt. Im Oligozän begann die Exhumierung der Altflächen und die aufliegenden Schichten wurden erodiert. Während der Rotation Korsikas im Miozän wurde die Rumpffläche von Störungen durchschnitten. Vor etwa 17 Ma wurde die Region gehoben, differentielle Blocktektonik gestaltete ein neues Relief und induzierte die Bildung von Flusstälern. Dieses Ereignis kann als Beginn der Zerstörung der Rumpffläche verstanden werden, die hauptsächlich durch das störungsinduzierte Einschneiden von Tälern und deren Aufweitung vor sich ging. Die Daten, die in der vorliegenden Studie präsentiert werden, bringen neue Erkenntnisse über die thermische, tektonische und morphologische Entwicklung von Korsika und den gesamten westmediterranen Raum. Außerdem zeigen die Daten, dass die Kombination verschiedener Datierungsmethoden der Niedertemperatur-Thermochronologie großes Potential zur Entschlüsselung der Geschichte von Gesteinen in seichten Krustenbereichen haben. Die Zahl "akzeptabler Lösungen" wird signifikant reduziert, sobald man mehrere Methoden anwenden kann. Schließlich kann gezeigt werden, dass es nach sachgerechter Korrektur der Daten durchaus möglich ist, verschiedene, ansonsten unvereinbare FT-Datensätze zu integrieren.