Research Collection
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Research Collection Doctoral Thesis Erosion and weathering of the Northern Apennines with implications for the tectonics and kinematics of the orogen Author(s): Erlanger, Erica Publication Date: 2020 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-b-000393261 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library Diss. ETH No. 26370 Erosion and weathering of the Northern Apennines with implications for the tectonics and kinematics of the orogen Erica Danielle Erlanger Cover artwork by Reed Olsen DISS. ETH NO. 26370 Erosion and weathering of the Northern Apennines with implications for the tectonics and kinematics of the orogen A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by ERICA DANIELLE ERLANGER Master of Science, Purdue University born on 22.03.1986 citizen of France and the United States of America accepted on the recommendation of Prof. Dr. Sean D. Willett Prof. Vincenzo Picotti Prof. Sean F. Gallen Prof. Dr. Frank J. Pazzaglia 2020 2019 Abstract Mountainous landscapes reflect the competition between denudation, uplift, and climate, which produce, modify, and destroy relief and topography. Bedrock rivers are dynamic topographic features and a critical link between these processes, as they record and convey changes in tectonics, climate, and sea level across the landscape. River incision models, such as the stream power model, are often used to quantify the relationship between topography and rock motion in the context of landscapes at steady state. At steady state, the stream power model predicts higher denudation rates for steeper river channels, while accounting for only the vertical motion of rock due to rock uplift or denudation. However, natural landscapes often have more complicated histories, particularly in convergent orogens with asymmetric topography, where steady state requires that denudation must balance both vertical and horizontal rock motion. This thesis addresses this central issue by comparing the spatial and temporal pattern of denudation with metrics of topographic steepness in the Northern Apennine Mountains of Italy, a young and active orogen with asymmetric topography. New and existing catchment-averaged denudation rates from cosmogenic 10Be concentrations demonstrate that the steeper flank of the Northern Apennines is eroding more slowly than the gentler flank. Long-term denudation rates inverted from low-temperature thermochronometers show that this pattern of denudation across the orogen is long-lived, since at the least 3—5 Ma, and that denudation rates have decreased on the Ligurian side through time. The apparent decoupling between denudation rates and topography is resolved with a kinematic model of the orogenic wedge that accounts for the full vertical and horizontal rock velocity field. This model reconciles the 10Be concentrations, geomorphic observations, and geodetic rates of rock motion with the topography of the Northern Apennines, and provides new estimates for slab retreat rates consistent with recent estimates from tomography, surface geology, and morphology. This thesis also explores the partitioning of denudation into physical erosion and chemical weathering in the Northern Apennines. Chemical weathering in particular is an important control on landscape evolution and the global CO2 budget. Most studies have focused on weathering in orogens comprised of silicate-rich lithologies, which can remove CO2 from the atmosphere over geologic timescales, whereas carbonate weathering is generally considered to be CO2 neutral. However, even in silicate-rich landscapes, carbonate weathering dominates total solute fluxes. Recently uplifted orogens in particular are often characterized by carbonate-rich, marine sedimentary sequences, so the global weathering flux of carbon and calcium to the oceans should be more strongly influenced by these orogens. However, the partitioning of denudation fluxes remains largely unexplored in mixed lithology orogens, so, it is unclear whether the same processes that control erosion and weathering apply to both silicate-rich and mixed lithology settings. Here, denudation fluxes from the Northern Apennines are partitioned into carbonate and silicate chemical weathering and physical erosion fluxes. These fluxes demonstrate that denudation is dominated by physical erosion of both silicate and carbonate rocks; carbonate physical erosion is controlled by lithology; weathering fluxes are dominated by carbonate dissolution; and denudation is negatively correlated with runoff. Finally, denudation fluxes from the Northern Apennines are similar to other temperature mountain ranges (e.g. Southern Alps of New Zealand), although total weathering fluxes from this study are generally higher, due to greater carbonate weathering fluxes. The results from this thesis challenge current interpretations regarding denudation rates through space and time and contribute to a broader understanding of surface and crustal processes in the Northern Apennines. 2 Zusammenfassung Gebirgslandschaften spiegeln den Wettstreit zwischen Denudation, Hebung und Klimaeinflüssen wider, welche Relief und Topographie hervorbringen, verändern und zerstören. Erosive Flüsse sind dynamische topographische Merkmale dieser Landschaften und stellen eine wichtige Verbindung zwischen den genannten Prozessen dar, da sie Veränderungen der Tektonik, des Klimas und des Meeresspiegels aufzeichnen und diese Veränderungen auf die Landschaft übertragen. Flusserosionsmodelle wie das Stream-Power-Modell werden häufig verwendet, um den Zusammenhang zwischen Topographie und Hebungsrate im Gleichgewicht zu quantifizieren. Im Gleichgewicht sagt das Stream-Power-Modell höhere Denudationsraten für steile Flusslängsprofile voraus, wobei aber nur die vertikale Bewegung des Gesteins wegen Hebung oder Denudation berücksichtigt wird. Jedoch weisen natürliche Landschaften meist eine kompliziertere Entwicklung auf, insbesondere bei konvergenten Orogenen mit asymmetrischer Topographie, bei denen der Gleichgewichtszustand erfordert, dass die Denudation sowohl die vertikale als auch die horizontale Gesteinsbewegung ausgleicht. Diese Dissertation befasst sich mit diesem zentralen Problem durch den Vergleich des räumlichen und zeitlichen Denudationsmusters mit der Steilheit der Topographie im nördlichen Apennin Italiens, einer jungen und aktiven Gebirgskette mit asymmetrischer Topographie. Schätzungen der Denudationsraten anhand von neuen und bestehenden, über das Einzugsgebiet gemittelten Konzentrationsmessungen von kosmogenem 10Be in Flusssedimenten zeigen, dass die steilere Flanke des nördlichen Apennins langsamer erodiert als die flachere Flanke. Langfristige Denudationsraten bestimmt durch Niedertemperatur-Thermochronometrie zeigen, dass dieses Denudationsmuster seit mindestens 3-5 Ma besteht und dass die Denudationsraten auf der ligurischen Seite im Laufe der Zeit abgenommen haben. Die anscheinende Entkoppelung zwischen Denudationsraten und Topographie kann mithilfe eines kinematischen Modells des Gebirgskeils, dass das vollständige vertikale und horizontale Gesteinsgeschwindigkeitsfeld berücksichtigt, erklärt werden. Dieses Modell stimmt die 10Be-Konzentrationen, geomorphologischen Beobachtungen und geodätischen Geschwindigkeiten der Gesteinsbewegung mit der Topographie des nördlichen Apennins ab und liefert neue Schätzungen der Rückzugsraten der Lithosphärenzunge im Einklang mit Schätzungen basierend auf Tomographie, Oberflächengeologie und Morphologie. In dieser Dissertation wird außerdem die Aufteilung der Denudation in chemische Verwitterung und physikalische Erosion im nördlichen Apennin untersucht. Insbesondere die chemische Verwitterung spielt eine wichtige Rolle für die Landschaftsentwicklung und das globale CO2-Budget. Bisherige Forschungsarbeiten konzentrieren sich hauptsächlich auf Verwitterung in Orogenen bestehend aus silikatreichen Gesteinen, da diese der Atmosphäre CO2 entziehen. Karbonat-Verwitterung hingegen ist CO2-neutral. Allerdings dominiert auch in Silikat-reichen Landschaften die Karbonat-Verwitterung den Gesamtfluss gelöster Stoffe. Vor allem kürzlich emporgehobene Orogene sind häufig durch karbonatreiche, marine Sedimentsequenzen gekennzeichnet, weshalb der globale Verwitterungsfluss von Kohlenstoff und Kalzium in die Ozeane stärker von solchen Orogenen beeinflusst werden sollte. Trotzdem ist die Aufteilung der Denudation in Orogenen mit gemischten Lithologien noch weitgehend unerforscht. Daher ist unklar, ob die gleichen Prozesse, die Erosion und Verwitterung steuern, sowohl auf silikatreiche als auch auf gemischte Lithologien zutreffen. Hier werden die Denudationsflüsse des nördlichen Apennins in Karbonat- und Silikatverwitterungflüsse und in physikalische Erosionsflüsse aufgeteilt. Diese Flüsse zeigen, dass die Denudation negativ mit dem Abfluss korreliert, die Denudation von physikalischer Erosion sowohl von Silikat- als auch von Karbonatgesteinen dominiert wird, die physikalische Erosion des 3 Karbonatgesteins durch die Lithologie beherrscht wird und die Verwitterungsmengen von der Lösung von Karbonatgestein dominiert werden. Schließlich sind die Denudationsraten im nördlichen Apennin vergleichbar mit denen in anderen Gebirgsketten in gemäßigten Klimazonen (z.B. Neuseeländische Alpen), obwohl die Verwitterungsraten dieser Studie im Vergleich höher sind. Die Ergebnisse dieser