Paleogeographic reconstructions in the western mediterranean and implications for permian pangea configurations

Aubele, Katharina (2015): Paleogeographic reconstructions in the western mediterranean and implications for permian pangea configurations. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte Alfred Wegener seine allgemein bekannte Rekonstruktion der Kontinente, indem er die Fragmente kontinentaler Kruste durch Schließung der großen Ozeane entlang ihrer heutigen Küstenlinien zusammenfügte, so dass alle Kontinente zu einer Landmasse vereint waren. Den resultierenden Superkontinent nannte er "Pangäa" (Wegener, 1920). In dieser Rekonstruktion liegen sich Nord- und Südamerika gegenüber und Nordwestafrika grenzt an die Südostküste Nordamerikas. Lange Zeit nahm man an, dass die Paläogeographie dieses Superkontinents sich im Laufe seiner Existenz nicht bedeutend verändert hat, sondern dass die Kontinente sich im Jura im Wesentlichen aus der gleichen Konfiguration heraus voneinander gelöst haben, zu der sie sich ursprünglich im Paläozoikum zusammengefunden hatten. In der Tat gibt es vielfältige geologische, paläontologische und geophysikalische Hinweise dafür, dass Wegeners Pangäa-Konfiguration von der späten Trias bis in den frühen Jura Bestand hatte. In den späten Fünfzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelte sich mit der Paläomagnetik eine Methode, die es ermöglicht, die Bewegungen der Kontinente über das Alter des ältesten bekannten Ozeanbodens hinaus zu rekonstruieren. Aufgrund des Dipolcharakters des Erdmagnetfeldes gilt das jedoch nur für die Rekonstruktion von paläogeographischen Breitenlagen, die Lage bezüglich der Längengrade kann mit Hilfe des Erdmagnetfeldes nicht eindeutig bestimmt werden. Eine nicht unerhebliche Anzahl paläomagnetischer Studien hat gezeigt, dass Wegeners Pangäarekonstruktion, auch Pangäa A genannt, mit globalen paläomagnetischen Daten in prä-triassischer Zeit nicht kompatibel ist. Zwingt man die Nord- und Südkontinente Pangäas, Laurasia und Gondwana für diese Zeit in die Pangäa A Konfiguration, so ergibt die auf paläomagnetischen Daten basierende paläogeographische Rekonstruktion ein signifikantes Überlappen kontinentaler Krustenanteile (siehe z. B. Van der Voo (1993); Muttoni et al. (1996, 2003) und darin zitierte Werke). Ein solches Überlappen lässt sich jedoch mit grundlegenden geologischen Prinzipien nicht vereinen. Im Lauf der Jahrzehnte wurden vielfältige alternative prä-triassische paläogeographische Pangäarekonstruktionen erstellt, die im Einklang mit den paläomagnetischen Daten sind. Der Hauptunterschied im Vergleich dieser Rekonstruktionen zur klassischen Pangäa A Konfiguration liegt in der Lage der Südkontinente relativ zu den Nordkontinenten. Um den kontinentalen Überlapp zu vermeiden, werden die Südkontinente unter Beibehaltung ihrer Breitenlage um ca. 30 Längengrade relativ zu den Nordkontinenten weiter im Osten platziert, so dass Nordwestafrika gegenüber Europa zu liegen kommt (Pangäa B, Irving (1977)). Da - wie erwähnt - der Dipolcharakter des Erdmagnetfeldes keine Aussagen über die Position der Kontinente bezüglich der Längengrade zulässt, ist dies mit den paläomagnetischen Daten vereinbar. Die alternativen Konfigurationen müssen jedoch alle vor dem Auseinanderbrechen Pangäas im Jura wieder in die für diesen Zeitraum allgemein akzeptierte Wegener-Konfiguration zurückgeführt werden. Dies geschieht - wiederum im Einklang mit den paläomagnetischen Daten - unter Beibehaltung der Breitenlage der Kontinente entlang einer postulierten kontinentalen dextralen Scherzone. Der Versatz von 2000 bis 3000 km fand laut Muttoni et al. (2003) in einem Zeitraum von ca. 20 Ma im frühen Perm statt. Dadurch ergibt sich eine entsprechend hohe Versatzrate von 10 bis 15 cm/a. Diese Arbeit befasst sich im Rahmen mehrerer paläomagnetischer Studien mit der Suche nach dieser großen Scherzone, deren Existenz seit Jahrzehnten umstritten ist. Der große Versatz wurde vermutlich von mehreren Störungssegmenten aufgenommen, die eine mehrere hundert Kilometer breite diffuse und segmentierte Scherzone bildeten. Paläogeographische Rekonstruktionen legen nahe, dass die Scherzone unter Anderem den Bereich des heutigen Mittelmeerraumes umfasst hat (Arthaud and Matte, 1977). Die Tizi-N'-Test-Verwerfung und ihre westliche Fortsetzung, die Süd-Atlas-Störung, sowie Verwerfungen entlang der nördlichen Pyrenäen und innerhalb des Armorikanischen Massivs (Bretagne) bilden demnach die Hauptblattverschiebungssysteme, die die Scherzone begrenzen. Krustenblöcke, die in entsprechend großen Störungssystemen liegen, können um vertikale Achsen rotieren (Nelson and Jones (1987) und darin zitierte Werke). Diese Rotationen können mit Hilfe der Paläomagnetik quantifiziert werden. Kapitel 1 leitet in die vorstehend beschriebene Problematik ausführlich ein und beleuchtet insbesondere die einzelnen Abschnitte dieser Arbeit. Somit wird deutlich, wie die Ergebnisse der Studien, aus denen sich die vorliegende Arbeit zusammensetzt, aufeinander aufbauen und einen konsistenten Lösungsansatz für die eingangs beschriebene Diskrepanz zwischen den Polwanderkurven Laurasias und Gondwanas entwickeln. Kapitel 2 beschreibt eine paläomagnetische Studie, die im Toulon-Cuers Becken, Südfrankreich durchgeführt wurde. Das Toulon-Cuers Becken entstand während einer Phase der Extension im südlichen variszischen Gürtel Europas, und ist sukzessive mit Sedimenten verfüllt worden. Außer mächtigen permo-triassischen Sedimentpaketen finden sich hier auch Laven und Pyroklastika als Produkte eines extensionsgetriggerten Vulkanismus, die ebenfalls Gegenstand der hier durchgeführten Studie sind. Die Ergebnisse der Untersuchungen können sehr gut mit bereits vorhandenen Literaturdaten in Einklang gebracht werden und zeigen, dass es zur fraglichen Zeit durchaus Bewegungen zwischen klar definierten Krustenblöcken gab, die Zeugen einer generellen Mobilität der Kruste in diesem Bereich sind. Es handelt sich hierbei um Blockrotationen um vertikale Achsen, so wie sie im Spannungsfeld einer kontinentalen Transformstörung zu erwarten sind. Dabei werden Rotationen im und gegen den Uhrzeigersinn dokumentiert, woraus eine komplexe Geometrie und Anordnung der Krustenblöcke abgeleitet werden kann. Hieraus wird ein tektonisches Modell entwickelt, welches mit gängigen Modellen (siehe McKenzie and Jackson (1983) in Nelson and Jones (1987)) in Einklang gebracht wird. Die triassischen paläomagnetischen Daten aus dem Gebiet belegen im Gegensatz dazu keine Rotationen und legen daher den Schluss nahe, dass die Krustenmobilität in dem Bereich zu Beginn des Mesozoikums zum Erliegen gekommen war. Somit belegt diese Studie deutlich, dass es im von Muttoni et al. (2003) postulierten zeitlichen Rahmen Hinweise für eine generelle Mobilität innerhalb Pangäas gibt. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurde die folgende Studie an magmatischen Ganggesteinen ("Dykes") in Sardinien (Italien) durchgeführt, um die laterale räumliche Dimension der Scherzone besser abschätzen zu können. Kapitel 3 stellt die Ergebnisse dieser Studie vor. Die Dykes treten schwarmförmig auf und sind in einem Zeitraum zwischen 298 ± 5Ma und 270 ± 10Ma in den Korsika-Sardinien-Batholith intrudiert (Atzori and Traversa, 1986; Vaccaro et al., 1991; Atzori et al., 2000). Zusätzlich zu den Rotationen, die auch hier mittels paläomagnetischer Daten nachgewiesen werden konnten, gibt die Orientierung der einzelnen Dykeschwärme Aufschluss über das tektonische Spannungsfeld, das während der Platznahme der Dykes vorherrschte. Diese kombinierten Ergebnisse bestätigen und ergänzen die Ergebnisse der vorhergehenden Studie in Südfrankreich. Ergänzend zu den Untersuchungen an den Ganggesteinen Sardiniens werden Daten von permischen Sedimenten und Vulkaniten präsentiert, die in verschiedenen Regionen Sardiniens beprobt wurden (Kapitel 4). Die paläomagnetischen Daten belegen, dass Sardinien in mindestens zwei Krustensegmente zerlegt war, welche relativ zueinander und auch relativ zur europäischen Polwanderkurve rotiert sind. Auch hier wiederholt sich das Muster von Rotationen im und gegen den Uhrzeigersinn. In dieser Studie werden die Ergebnisse aus den vorangehenden Kapiteln sowie aus der weiterführenden Literatur zusammengefasst, so dass ein zeitlich und räumlich verfeinertes Bild der Krustenblöcke im westlichen Mittelmeerraum zur Zeit des frühen Perm entsteht. Durch die verbesserte Definition der Geometrie der einzelnen Blöcke kann das in Kapitel 2 beschriebene tektonische Modell bestätigt werden. Kapitel 5 befasst sich abschließend mit dem zeitlichen Rahmen der Aktivität entlang der fraglichen Scherzone. Ausgehend von der Annahme, dass sich die Kontinente im Jura bereits in einer Pangäa A Konfiguration befunden haben, sollten die paläomagnetischen Daten von jurassischen Gesteinen keine Hinweise auf Scherbewegungen geben. Hierzu wird eine Studie an jurassischen Sedimenten Sardiniens vorgestellt. Die paläomagnetischen Daten der untersuchten Krustensegmente belegen, dass es in post-jurassischer Zeit in Sardinien keine Blockrotationen der einzelnen Segmente relativ zueinander gab und Sardinien somit ab jener Zeit als tektonisch einheitlicher Block behandelt werden muss. Des Weiteren zeigen die paläomagnetischen Pole, die aus den paläomagnetischen Richtungen für eine Referenzlokalität berechnet wurden, keine signifikante Abweichung von der Polwanderkurve des europäischen Kontinents nach Besse and Courtillot (2002). Diese Kohärenz der paläomagnetischen Daten bestätigt die weithin akzeptierte Beobachtung, dass sich Pangäa zur Zeit des Jura bereits in der Wegener Konfiguration (Pangäa A) befunden hat und untermauert die Aussagekraft paläomagnetischer Studien in diesem Zusammenhang. Zugleich kann anhand dieser Daten ausgeschlossen werden, dass die alpidische Orogenese die Ursache für bedeutende Krustenblockrotationen in dieser Region gebildet hat. Die Ergebnisse der oben genannten Studien werden in dieser Arbeit zusammengeführt. Im Verbund mit Daten aus der Literatur untermauern sie, dass es zwischen dem frühen Perm und der frühen Trias entlang eines ausgedehnten Gürtels, der mindestens vom französischen Zentralmassiv über Südfrankreich bis nach Korsika- Sardinien reichte, bedeutende Krustenbewegungen in Form von Blockrotationen innerhalb Pangäas gab. Die vorliegende Synthese schafft somit ein konsistentes Bild der generellen Krustenmobilität zwischen den nördlichen Teilen Pangäas (Laurasia) und den Südkontinenten (Gondwana). Der durch die präsentierten Studien abgesteckte zeitliche Rahmen korreliert mit den Abschätzungen von Muttoni et al. (2003) zur Transformation zwischen verschiedenen Pangäakonfigurationen. Diese Arbeit bestätigt außerdem, dass das mittlere Perm eine Zeit großräumiger Reorganisation der kontinentalen Platten war, die von anhaltender magmatischer Aktivität begleitet war (Deroin and Bonin, 2003; Isozaki, 2009). Anhand der hier vorgestellten neuen Daten in Kombination mit bereits bekannten paläomagnetischen Daten aus der Region ergibt sich ein klares Muster von Rotationen im und gegen den Uhrzeigersinn von einzelnen störungsbegrenzten Krustenblöcken. Diese Arbeit belegt, dass die Paläomagnetik ein hervorragendes Instrument zur Quantifizierung jener Krustenblockrotationen ist, die oftmals die einzigen verbleibenden Indizien für ehemals großräumige Scherzonen bieten, nachdem die Störungen selbst aufgrund vielfältiger Prozesse nicht mehr aufgeschlossen sind (Umhoefer, 2000). Die tektonischen Modelle von McKenzie and Jackson (1983) in der Interpretation nach Nelson and Jones (1987) werden als Erklärungsgrundlage für die beobachteten Rotationen herangezogen und erweitert.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Paläomagnetik, Paläogeographische Rekonstruktion, Pangäa, Perm, Blockrotationen
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 8. Juli 2015
• 1. Bericht­erstatter:in: Bachtadse, Valerian