Dissertation Kinematic evolution of the western Tethyan realm derived from paleomagnetic and geologic data Ausgeführt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der montanistischen Wissenschaften Leoben, Jänner 2008 Mag. rer. nat. Wolfgang Thöny I DECLARE IN LIEU OF OATH THAT I DID THIS PHILOSOPHICAL DOCTOR’S THESIS IN HAND BY MYSELF USING ONLY THE LITERATURE CITED AT THE END OF THIS VOLUME Mag. rer. nat. Wolfgang Thöny Leoben, Jänner 2008 Acknowledgements I want to thank my academic supervisors ao. Univ. Prof. Dr. Robert Scholger, Chair of Geophysics, University of Leoben and ao. Univ. Prof. Dr. Hugo Ortner, Institute for Geology and Palaeontology, University of Innsbruck, for the opportunity to write this thesis. Due to excellent scientific and personal support, it was a pleasure to me being a kind of link between the two disciplines of Geophysics and Geology during these times of research. Benefit to the study was also derived from a fantastic “working climate” due to my co- students Dipl. Ing. Dr. Sigrid Hemetsberger and Dipl. Ing. Anna Selge. Numerous colleagues and friends enabled site selection and sampling in the field, we got gratefully acknowledged support: at Schliersee area from Roland Pilser and Michael Zerlauth (Univ.Innsbruck) and Dr. Ulrich Haas (Univ. München), at Allgäu/Vorarlberg area from Silvia Aichholzer, Monika Fischer, Sebastian Jacobs (Univ. Innsbruck) and Dr. Klaus Schwerd, Dr. Herbert Scholz, Dipl.Geol. Dorothea Frieling (Univ. München), at Muttekopf area from Dr. Herbert Haubold (Univ. Leoben), at Thiersee area from Peter Umfahrer and Mag. Barbara Simmer (Innsbruck), at Lower Inn valley area from Mag. Werner Thöny (Univ. Innsbruck), at Sulden/Ortler area from Dr. Volkmar Mayr (Bozen), at Dolomites/Ra Stua from Mag. Alfred Gruber, Mag. Andrea Schaber (Univ.Innsbruck), at Dolomites/Fischleintal from Mag. Alfred Gruber (Univ.Innsbruck), at Nonstal area from Patrik Ausserer, Mag. Werner Thöny (Univ.Innsbruck), at Lake Garda area from Dr. Vincenzo Picotti (Univ.Bologna) at Belluno area from Dr. Paolo Grandesso, Dr. Cristina Stefani, (Univ. Padova) and from Dipl. Ing. Hannes Geidl (Univ.Leoben); I want to thank my partner Dr. Wilma Haushofer, my mother, and my families in Innsbruck and Frohnleiten who supported me whenever motivation was needed. I want to dedicate this study to our daddies, to SR Dir. Ferdinand Thöny and to BM Ing. Josef Haushofer. Thank you for all that wonderful support during these years. This study was financially supported by the Austrian research fund, FWF projects P-13566- TEC: TRANSALP, Rotation von Segmenten der Nördlichen Kalkalpen and P-17767: Struktureller Ausdruck von großen Rotationen in den Alpen. Zusammenfassung In dieser Studie werden neue paläomagnetische Resultate von 140 sites (=Beprobungshorizonte) aus den Ost- und Südalpen präsentiert. 24 sites wurden im Nordalpinen Vorlandbecken untersucht - 16 sites in den helvetischen Decken- 51 sites in den Nördlichen Kalkalpen (NKA) -6 sites in den Zentralalpen -16 sites in den Südalpen (SA) und 27 sites im Südalpinen Vorlandbecken. Ermöglicht wurde diese paläomagnetische Studie durch zwei Forschungsprojekte des Österreichischen Forschungsfonds FWF (P-13566-TEC: TRANSALP, Rotation von Segmenten der Nördlichen Kalkalpen; P-17767: Struktureller Ausdruck von großen Rotationen in den Alpen). Die auf paläomagnetischen und geologischen Daten basierende Beschreibung der geodynamischen Entwicklung, wird in einen Känozoischen und einen Mesozoischen Abschnitt unterteilt. Im Zeitraum Frühes bis Spätes Rupel (32-29Ma) konnte für die Nördlichen Kalkalpen (NKA), die ostalpinen Zentralalpen, die Südalpen und das Südalpine Vorlandbecken eine erste Phase einer Rotation im Uhrzeigersinn erkannt werden. Diese Rotation wird mit den Deckenstapelungen innerhalb der Penninischen, Helvetischen und Kalkalpinen Einheiten in Zusammenhang gebracht, und wurde möglicherweise durch ein nordwärts gerichtetes Rückschreiten der in den Erdmantel abtauchenden europäischen Unterkruste bedingt. Die, der rückschreitenden Unterplatte folgende Oberplatte, wurde dadurch zu einer Rotation im Uhrzeigersinn um den Böhmischen Sporn gezwungen. Im weiteren erfährt diese Rotation im Uhrzeigersinn im Zeitraum Mittleres bis Spätes Chatt (25-23Ma) einen zweiten Schub, wobei die Subalpine Molasse sowie die Einheiten des Penninischen Tauern Fensters ebenfalls von der Rotation erfasst wurden. Die Rotation im Uhrzeigersinn wurde möglicherweise durch einen „slab break off“ der europäischen Unterkruste gestoppt, der einen „rebound“ der Unterplatte und eine Aufwölbung der Oberplatte bewirkte. Diese Aufwölbung initiierte möglicherweise den Beginn der „lateralen extrusion“. Die jüngste Rotation, die im Gegenuhrzeigersinn erfolgte, konnte mit Hilfe von Daten aus den nördlichen Venezianischen Alpen in einen Zeitraum jünger als 5Ma datiert werden. Nach N hin konnte die frontale Alpine Überschiebung als Begrenzung der rotierenden Großeinheit definiert werden, da altersgleiche Magnetisierungen nördlich der Alpinen Front keinen Rotationsbetrag aufweisen. Diese junge Rotation im Gegenuhrzeigersinn wird im Zusammenhang mit der Öffnung des Tyrrhenischen Meeres und der Spät Miozänen Rotation von Adria gesehen. Die Mesozoische Kinematik die im Rahmen dieser paläomagnetischen Studie erkannt werden konnte, bezieht sich hauptsächlich auf die Prozesse während der Spät Kretazischen bis Eozänen Schließung des Piemont - Valais Ozeans. Studien an Penninischen Einheiten (Pueyo et al., 2002; Hauck, 1998) belegen eine vor- Oligozäne Rotation von 30° im Gegenuhrzeigersinn. Höchstwahrscheinlich steht diese Rotation mit der Subduktion des Penninischen Ozeans im Zusammenhang. In Oberkretazischen Sedimenten aus den westlichen Nördlichen Kalkalpen konnten Magnetisierungen identifiziert werden, die vor der Verfaltung aufgeprägt wurden. Zusammen mit primären Magnetisierungen aus Tirolischen Einheiten südlich der SEMP Salzach/Ennstal/Mariazell/Puchberg Linie und primären Magnetisierungen die in Untereozänen Sedimenten aus den Südalpen isoliert werden konnten, kann für diesen bearbeiteten Raum eine zusätzlich Rotation im Gegenuhrzeigersinn vermutet werden. Bezugnehmend auf die vorhandene Fachliteratur und auf die tektonischen Einheiten, konnte diese Rotation in den Bajuvarischen Deckeneinheiten E des Inn Tales nicht nachgewiesen werden, konnte jedoch im Zuge dieser Studie in der Lechtal Decke der westlichen Nördlichen Kalkalpen sowie in den Tirolischen Einheiten sowie in den Südalpen erkannt werden. Die Bohrung Vordersee1, SE von Salzburg, durchteufte Tirolische Einheiten und konnte an der Deckengrenze zur liegenden Bajuvarischen Deckeneinheit Paleogene Sedimente belegen (Geutebrück et al., 1984). Somit konnte die Überschiebung (i.e. Brixlegg Störung) von Tirolikum auf Bajuvarikum auf ein Paleogenes Alter datiert werden (Ortner at al., 2006). Es wird vermutet, daß die Bajuvarischen Anteile W des Inntales (i.e. die Lechtal Decke) während dieser Überschiebung in die Hangendscholle miteinbezogen wurden. Dies könnte den relativen Unterschied der Rotationsbeträge innerhalb der oben beschriebenen Deckeneinheiten erklären. Paläomagnetische Aussagen zur jurassischen Geodynamik die in Zusammenhang mit der Öffnung des Piemont Ozean zu sehen wären, können aufgrund eines geringen Datensatzes primärer Magnetisierungen nur bedingt getätigt werden. Nachdem die Miozäne bis Eozäne Rotationsgeschichte rückgeführt wurde, zeichnen sich NKA und SA durch Primärmagnetisierungen Kretazischer und Jurassischer Lithologien aus, die N gerichtete Deklinationen aufweisen. Offensichtlich waren die NKA bzw. die EA und SA von der großräumigen Rotation im Gegenuhrzeigersinn der Afrikanischen Platte, die im Zusammenhang mit der Öffnung des Zentralatlantiks steht, nicht betroffen. EA und SA waren möglicherweise nach S hin an einer sinistral aktiven Scherzone von der rotierenden Großeinheit getrennt. Marton (2006) konnte für die Adriatische Platte eine Rotation von 20° im Gegenuhrzeigersinn relativ zu Afrika für das Späte Miozän bis Pliozän belegen. Nachdem diese Komponente rückrotiert wurde, konnte gezeigt werden, daß die Jurassische Primärmagnetisierungen der Adriatischen Platte einen eindeutigen Afrikanischen Trend aufweisen. Die beobachteten im Gegenuhrzeigersinn rotierten Remanenzen, werden ebenfalls mit der Öffnung des Zentralatlantiks in Zusammenhang gebracht. Zusammenfassend läßt sich eine getrennte Rotationsgeschichte für Adria/Afrika einerseits und die EA/SA andererseits ab der Jurassischen Öffnung des Zentralatlantiks feststellen. Während der alpinen Kontinent/Kontinent Kollision läßt sich in den EA/SA eine zweiphasige Uhrzeigersinn Rotation nachweisen. Diese kann innerhalb der Adriatischen Platte nicht erkannt werden. Erst im Späten Miozän, jünger als 5Ma, ist eine gemeinsame Rotation im Gegenuhrzeigersinn belegt, die EA/SA gleichermaßen wie Adria und wie Teile der Westalpen erfasst hat. Abstract New paleomagnetic results from 140 sites in the Eastern and Southern Alps are presented. - 24 sites were investigated in the North Alpine foreland basin, (NAFB), - 16 sites in the Helvetic nappes,- 51 sites in the Northern Calcareous Alps (NCA)- 6 sites in the Central Alps (CA),- 16 sites in the Southern Alps (SA), and- 27 sites in the Southern Alpine foreland basin (SAFB). Paleomagnetic work was carried out in the frame of two FWF projects (P-13566- TEC: TRANSALP, Rotation von Segmenten der Nördlichen Kalkalpen; P-17767: Struktureller Ausdruck von großen Rotationen in den Alpen). The description of the geodynamic evolution