Low-temperature thermochronology from tunnel and surface samples in the Central and Western Alps

Abstract

Low-temperature thermochronology owns the unique potential to derive rates of cooling, exhumation and denudation (erosional and tectonic). Furthermore it bears information about palaeotopography. This thesis comprises five low-temperature thermochronological studies conducted in the Western and Central Alps, i.e., one study in the eastern Lepontine dome and four studies along orogen-perpendicular transects through the Western and Central Alps. Main objectives of these studies are: (1) To unravel the structural-kinematic and exhumation history of the investigated regions, and (2) to estimate the shape of palaeo-isotherms under given boundary conditions. Three transects along tunnels (Mont Blanc, Lötschberg and Gotthard) and corresponding surface profiles were sampled in the external crystalline massifs (ECM) of the Mont Blanc, Aar and Gotthard. Sampling of the Lepontine dome was applied on a broader spatial scale. Samples were dated with the apatite and zircon fission track method (AFT and ZFT, respectively) and with the apatite (U-Th)/He method (AHe), which record the cooling of rocks between 330 and 40°C. The resulting two-dimensional sample transects along the tunnels were used to estimate the shape of palaeo-isotherms and to derive lateral and temporal differences in exhumation rates. Thermochronological data, especially from near vertical age-elevation profiles, were used to derive the Late Neogene exhumation history of the investigated regions in the external massifs and of the Lepontine dome. The exhumation histories were compared with estimates for adjacent regions and used to investigate the impact of climatic and tectonic forcing on the evolution and exhumation of the Alpine orogen. Main conclusions from the individual studies are:

Mont Blanc transect Thermal modeling of AFT and AHe data suggests that the Mont Blanc massif (MBM) was exhumed episodically, with rapid exhumation (2.5±0.5 km/Myr) before 6 Ma, followed by an episode of slow exhumation and again a period of fast exhumation (>1 km/Myr) after ~3 Ma. The MBM is the only ECM that experienced fast exhumation at ~6.5 Ma, possibly related to NW and minor SE directed thrusting of the MBM. I propose that the acceleration in exhumation rates of the MBM after ~3 Ma is caused by rapid valley incision related to beginning Alpine glaciation, implying that the recent relief of the MBM is a young feature.

Lötschberg transect The data show a constant exhumation of the SW Aar massif with a rate of ~0.5 km/Myr for the last 10 Myr, increasing only in the southern area close to the Rhône-Simplon fault around 3.5 Ma to values up to 1.2 km/Myr. Acceleration of exhumation in the south is most likely triggered by increased orogen-perpendicular extension causing tectonic denudation along the south dipping Rhône-Simplon fault. Climatic forcing, especially the intensification of Alpine glaciation around 0.9 Ma has also contributed to the observed exhumation, but the magnitude of this impact can not be resolved with the data.

Gotthard transect Thermochronological ages along the sampled Gotthard transect are very uniform, suggesting that vertical movements along distinct fault structures within and between the Aar massif (AM) and Gotthard massif (GM) can be neglected since ~15 Ma. Age-elevation profiles of ZFT and AFT data of the central AM and GM suggest fast exhumation (~1 km/Myr) around 15 Ma decreasing to a steady, uniform and moderate exhumation with a rate of ~0.5 km/Myr since ~9 Ma. Fast exhumation at ~15 Ma is probably related to continuing indentation of the Adriatic wedge, which resulted in thrusting and exhumation of the external massifs. Since ~9 Ma, the central AM and GM are maybe in a long-term exhumational steady state. Isostatic movements caused by unloading effects due to glacier retreat and/or enhanced erosion, however, led to short term fluctuations of rock uplift rates, not resolvable by our data. Thermochronological data (ZFT, AFT) within the Gotthard tunnel show no correlation with topography, suggesting that (palaeo-) topography-induced perturbations of isotherms were small under given boundary conditions (i.e., topographic wavelength = 12 km, relief = 1.7 km, exhumation rate = 0.5 km/Myr). A new 3D thermal model was developed and used for investigating the potential impact of different input parameters (topography, conductivities, heat production, exhumation rates) on shape of isotherms and resulting thermochronological data. Modelling reveals a strong dependence of the shape of isotherms and thermochronological ages on spatial variable heat production and exhumation rates. In the case of the Gotthard transect the influence of the topography can be neglected for the interpretation of thermochronological data, as well as in most other regions in the Alps with similar relief.

Lepontine dome Thermochronological data of the eastern Lepontine dome was used to investigate the exhumation history and activity of the Forcola fault. The data reveal episodic exhumation of the eastern Lepontine dome with fast exhumation from ~23-16 Ma, 12-10 Ma and 5-4 Ma. The exhumation is directly linked to the onset of Miocene lateral extension and related activation of the Forcola fault. Fast exhumation between 5 and 4 Ma coincide with an increase in foreland basin deposits. Slowing down of exhumation after 4 Ma is consistent with the proposed transition from orogenic construction to orogenic destruction and related shift of active deformation into the interior of the Alpine orogen.

To sum up, all three sampled tunnel transects show no correlation of palaeo-isotherms with topography. This observation has to be interpreted in terms of the topography induced perturbation of isotherms, taking into account that obviously the present topography and relief is a very young feature (< 3 Ma). Accompanied thermal modelling additionally demonstrates that other parameters (exhumation rate, heat production), beside topography, also strongly influence the shape of near-surface isotherms. Reasons why no correlation of palaeo-isotherms with recent topography is observable are different for the tunnel transects: The relief along the Mont Blanc tunnel was less pronounced at the time given by the thermochronometer. Along the Lötschberg tunnel strong spatial differences in exhumation rates control the thermochronological age pattern, and consequently the topographic effect is not observable. Along the Gotthard tunnel ages are controlled by several spatially varying parameters (including topography, exhumation and heat production), which result in apparent flat palaeo-isotherms. Comparing exhumation histories from the appended studies, complemented by published exhumation histories of adjacent regions, I conclude that: (1) Comparing the exhumation rates of all ECM shows that the Messinian base level drop (~5.5 Ma) and the intensification of precipitation caused by an increase in the Atlantic Gulf Stream (~4.6 Ma) did not affect the exhumation rates of the external Alps. (2) All ECMs, except the central Aar and Gotthard massifs, show an increase in exhumation rates at ~3 Ma. I interpret this as the result of beginning Alpine glaciation and normal faulting along orogen-parallel faults.

Niedrig-Temperatur-Thermochronologie erlaubt es Raten der Abkühlung, Exhumation und der Denudation (durch Erosion und Tektonik) zu bestimmen. Außerdem lassen sich Informationen über die Paläo-Topographie ableiten. Die vorliegende Doktorarbeit beinhaltet fünf Niedrig-Temperatur-Thermochronologische Arbeiten über die westlichen und zentralen Alpen, d.h. eine Arbeit im Lepontine Dome und vier Arbeiten entlang orogen-senkrechter Profile in den westlichen und zentralen Alpen. Zielsetzungen dieser Arbeiten waren: (1) Die Exhumationsgeschichte der untersuchten Arbeitsgebiete zu rekonstruieren, und (2) den Verlauf von Paläo-Isothermen unter gegebenen Rahmenbedingungen abzuschätzen. Drei Tunnelprofile (Mont Blanc, Lötschberg und Gotthard) und ihre entsprechenden Oberflächenprofile wurden in den externen Kristallin-Massiven (ECM) des Mont Blanc, Aar und Gotthard beprobt. Die Beprobung im Lepontine Dome erfasste ein größeres Areal. Die Proben wurden mit der Apatit und Zirkon Spaltspurmethode (AFT und ZFT) und mit der Apatit (U-Th)/He Methode (AHe) datiert, mit welchen sich die Abkühlung von Gesteinen von 330 auf 40°C rekonstruieren lässt. Die resultierenden zwei dimensionalen Probenprofile entlang der Tunnel wurden dazu benutzt, um den Verlauf von Paläo-Isothermen abzuschätzen und laterale und temporale Unterschiede in Exhumationsraten zu bestimmen. Thermochronologische Daten, besonders von fast vertikalen Alters-Höhen-Profilen, wurden benutzt um die Spät-Neogene Exhumationsgeschichte der Untersuchungsgebiete in den ECM um im Lepontine Dome herzuleiten. Die resultierenden Exhumationsgeschichten wurden mit denen benachbarter Gebiete verglichen, um den Einfluss von klimatischen und tektonischen Kräften auf die Entstehung und die Exhumation des alpinen Orogens zu quantifizieren. Die wichtigsten Schlussfolgerungen der Einzelarbeiten sind:

Mont Blanc Profil Thermische Modellierung von AFT und AHe Daten zeigen, daß das Mont Blanc Massiv (MBM) episodisch exhumiert wurde: sehr schneller Exhumation (2.5±0.5 km/Myr) vor 6 Ma, gefolgt von einer Phase sehr langsamer Exhumation und wiederum gefolgt von einer Phase schneller Exhumation (>1 km/Myr) nach ~3 Ma. Das MBM ist das einzige ECM, welches diese sehr schnelle Exhumation um etwa 6.5 Ma zeigt, die vermutlich im Zusammenhang mit NW und SE Überschiebung des MBM steht. In dieser Arbeit schlage ich vor das die beschleunigte Exhumation seit ~3 Ma in Zusammenhang mit einer schnellen Taleintiefung steht, die durch die beginnende alpine Vergletscherung verursacht wurde. Damit ist das Relief des MBM sehr jung.

Lötschberg Profil Die Daten zeigen eine konstante Exhumation des SW Aar Massivs mit einer Rate von ~0.5 km/Myr für die letzen 10 Myr an, welche nur im südlichen Teil des Profils nahe der Rhône-Simplon Störung um 3.5 Ma auf Raten bis 1.2 km/Myr anstiegen. Dieser Anstieg in den Exhumationsraten wurde vermutlich durch orogen-senkrechte Extension ausgelöst, die zu tektonischer Denudation entlang der Rhône-Simplon Störung führte. Klimatische Kräfte, besonders die Intensivierung der alpinen Vergletscherung um 0.9 Ma haben ebenfalls zur beobachten Exhumationsgeschichte beigetragen, allerdings kann ihr Anteil an den Exhumationsraten nicht mit den vorliegenden Daten quantifiziert werden.

Gotthard Profil Thermochronologische Alter entlang des Gotthard Profils sind sehr einheitlich, was nahe legt das seit ~15 Ma vertikale Bewegungen entlang von Störzonen innerhalb und zwischen dem Aar Massiv (AM) und dem Gotthard Massiv (GM) vernachlässigbar klein sind. ZFT und AFT Alters-Höhen Profile im zentralen AM und GM zeigen ein schnelle Exhumation (~1 km/Myr) um 15 Ma an, welche mit der Zeit abnahm und seit etwa 9 Ma konstant bei ~0.5 km/Myr lag. Die schnelle Exhumation um 15 Ma hängt vermutlich mit der andauernden Einrückung des adriatischen Keils zusammen, welche zu einer Überschiebung und Exhumation der ECM führte. Vermutlich seit ~9 Ma sind die Exhumationsraten im zentralen AM und GM in einem stationären Zustand. Allerdings verursachten isostatische Bewegungen induziert von Entlastungen (Gletscher Rückgang, gesteigerte Erosion) kurzzeitige Schwankungen in Hebungsraten, die nicht mit unseren Daten aufgelöst werden können. Die thermochronologischen Daten (AFT und ZFT) entlang des Gotthard Tunnels zeigen keine Korrelation mit der Topographie, welches andeutet das die (paläo-) topographisch-induzierte Aufwölbung von Isothermen gering war unter den gegebenen Rahmenbedingungen (d.h., topographische Wellenlänge = 12 km, Relief = 1.7 km, Exhumationsrate = 0.5 km/Myr). Ein neues drei-dimensionales thermisches Model wurde entwickelt und für die Abschätzung des möglichen Einflusses verschiedener thermischer Parameter (Topography, Konduktivität, Wärmeproduktion, Exhumationsrate) auf die Aufwölbung von Isothermen und resultierender thermochronologischen Ater benutzt. Die Modellierungen zeigen einen großen Einfluss auf den Verlauf von Isothermen in Abhängigkeit von räumlich variierender Wärmproduktions- und Exhumationsraten. Im Falle des Gotthard Profils kann der Einfluss der Topographie auf die Isothermen und damit auf die Interpretation von thermochronologischen Daten vernachlässigt werden, genau wie in den meisten alpinen Gebieten mit ähnlichen Relief.

Lepontine Dome Thermochronologische Daten vom östlichen Lepontine Dome wurden benutzt um die Aktivität der Forcola Störung und die Exhumationsgeschichte des Untersuchungsgebietes zu untersuchen. Die Daten zeigen eine episodische Exhumation des östlichen Lepontine Domes an, mit schneller Exhumation zwischen ~23-16 Ma, 12-10 Ma und 5-4 Ma. Die Exhumation ist direkt mit der Miozänen lateralen Extension und der Aktivität der Forcola Störung gekoppelt. Schnelle Exhumation zwischen 5 und 4 Ma deckt sich zeitlich mit einem Anstieg in Vorlandbecken-Ablagerungen. Verlangsamte Exhumation nach 4 Ma ist im Einklang mit einem postulierten Übergang von orogenen Konstruktion zu orogenen Destruktion and damit in Zusammenhang stehender Verschiebung der aktiven Deformationsfront ins Innere des alpinen Orogens.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß abgeleitete Paläo-Isothermen der drei untersuchten Tunnelprofile keine Korrelation mit der Topographie zeigen. Für die Interpretation dieser Beobachtung bezüglich des Einflusses der Topographie auf die Aufwölbung von Isothermen muß berücksichtigt werden, daß die heutige Topographie und das heutige Relief sehr jung sing (< 3 Ma). Die begleitende Modellierung zeigte außerdem, daß andere Parameter außer der Topographie (z.B. Exhumation und Wärmeproduktion), einen starken Einfluß auf den Verlauf von oberflächennahen Isothermen haben. Die Gründe weshalb keine Korrelation zwischen den Paläo-Isothermen und der heutigen Topographie gefunden wurde sind verschieden für die einzelnen Tunnelprofile: Das Relief am Mont Blanc Tunnel war weniger stark ausgeprägt während der Zeit als die Proben die für die benutzten Thermochronometer sensitiven Isothermen durchliefen. Entlang des Lötschberg Tunnels kontrollierten stark räumlich variierende Exhumationsraten die thermochronologische Altersverteilung, und folglich ist der Effekt der Topographie nicht zu erkennen. Die Alter entlang des Gotthard Tunnels sind das Resultat von verschiedenen räumlich variierenden Parameter (Topographie, Exhumation und Wärmeproduktion), die zu scheinbaren flachen Paläo-Isothermen führten. Vergleicht man die Exhumationsgeschichte aus den untersuchten Arbeitsgebieten, ergänzt durch publizierte Exhumationsgeschichten benachbarter Gebiete, so kann man folgende Schlußfolgerungen ziehen: (1) Alle ECM zeigen das die Messininsche Salinitätskrise (~5.5 Ma) und die Intensivierung der Niederschlags verursacht durch einen erhöhten Atlantischen Golfstrom (~4.6 Ma) keinen Einfluß auf die Exhumationsraten der externen Alpen haben. (2) Mit Ausnahme des zentralen AM und GM zeigen alle ECM eine Steigerung in den Exhumationsraten um 3 Ma. Diese Steigerung resultiert aus der beginnenden alpinen Vergletscherung und abschiebender Bewegungen entlang von orogen-parallelen Störungen.