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Long-term landscape evolution, cooling and exhumation history of Variscan rocks in the western Cantabrian Mountains (NW Spain)

Grobe, René Wilhelm

German Title: Langzeitliche Landschaftsentwicklung, Abkühl- und Exhumierungsgeschichte variszischer Gesteine des Kantabrischen Gebirges (NW Spanien)

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Abstract

The present study introduces the first comprehensive regional research of apatite-fission track (AFT) and apatite (U-Th-Sm)/He(AHe) thermochronology including state-of-the-art 3D thermokinematic modelling of longterm landscape evolution in the western termination of the Cantabrian Mountains (NW Spain). The study sets out to analyse and interpret thermochronological data to constrain the pattern and history of cooling and exhumation in the NW Iberian Massif. This allows to better resolve the potential coupling of tectonic and climatic events and their impact on long-term landscape evolution. In terms of tectonic evolution the Cantabrian Mountains are a well-studied area, providing a well-suited domain to examine the impact of tectonic events on the topography. The mountains reach elevations of more than 2,600 m along the northern coast of Spain and are composed of a Variscan crustal section uplifted in the course of Cenozoic shortening along the northern Iberian Plate. Since the end of the Variscan orogeny in Late Palaeozoic, the Iberian Massif was affected by two major tectonic episodes, (1) Mesozoic rifting that lead to continental break-up by 115 Ma and opening of the Atlantic and Bay of Biscay to the West and North, and (2) limited convergence along the Bay of Biscay margin from Middle Eocene times onwards. The study constrains the pattern and history of exhumation within the Paleozoic bedrock and Variscan intrusions over the past c. 250 Ma. Thirty-five AFT samples reveal ages from 246.7 (26.9) to 68.1 (5.0) Ma, with mean track lengths between 10.4 (1.2) and 12.6 (1.8)µm. Six AHe samples range in age from 70.6 (5.2) to 114.4 (14.2) Ma. Timetemperature path modelling of the data indicates that continuous cooling at different rates took place during the main tectonic events that affected the area. A rapid cooling event that ended by Late Jurassic corresponds to topographic decay during unroofing of the Variscan orogen and the break-up of Pangea, and is responsible for the largest amount of exhumation at a rate of c. 0.3 km/Ma. Samples in Galicia cooled contemporaneously with rifting in the North Atlantic and Bay of Biscay during Late Jurassic to Early Cretaceous at exhumation rates of c. 0.25 km/Ma. By about 80 to 100 Ma most samples cooled below 60 °C, indicating that regional denudation has not exceeded c. 1.7 km since then, for geothermal gradients ≥ 27 ºC/km and a surface temperature of 15 °C. An extensive, low relief area in Central Galicia underwent very slow exhumation (0.02 km/Ma) since post-rift stage (80 to 100 Ma), and is interpreted as the remains of a pre-Eocene paleolandscape. Surface uplift of a ridge next to the northern coastline since late Middle Eocene caused minor exhumation during activation of the North Iberian margin. This ridge that reaches heights up to 1,000 m seems to be associated to reactivation of an inherited 60 to 80 Ma old escarpment. An average exhumation rate between 0.02 to 0.07 km/Ma reflects latest denudation as the new mountainous relief developed since incipient subduction along the northern Iberian Margin by 46 Ma due to shortening associated with convergence along the northern Iberian Plate. Reasonable estimates on the initial maximum mean elevation of the area after the end of the Variscan orogeny are determined between 2,400 and 3,400 m by 3D thermokinematic modelling. The strong coincidence between timing of major tectonic events and changes in topography and exhumation rates suggest that the major controlling factor of landscape evolution in this area is tectonic forcing while climatic effects have probably only a second order impact.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Studie stellt die erste umfassende regionale Forschungsarbeit im Bereich der Apatit-Spaltspur (AFT)- und Apatit-(U-Th-Sm)/He (AHe)-Thermochronologie des Kantabrischen Gebirges (NW Spanien) dar. Neben AFT und AHe werden in der Studie modernste thermokinematische 3D Simulationen der langzeitlichen Landschaftsentwicklung herangezogen. Ziel der Arbeit ist die Analyse und Interpretation thermochronologischer Daten, um das Muster und die Abkühlungs- und Exhumierungsgeschichte im nordwestlichen Iberischen Massiv nachzuzeichnen. Dies wiederum dient der besseren Auflösung einer potentiellen Kopplung von tektonischen und klimatischen Prozessen und deren Auswirkungen auf die langzeitliche Landschaftsentwicklung. Im Hinblick auf die tektonische Entwicklung stellt das Kantabrische Gebirge ein außerordentlich gut erforschtes Orogen dar, und ist somit geeignet, den Einfluss von tektonischen Ereignissen auf die Landschaftsoberfläche zu untersuchen. Der Gebirgszug entlang der Nordküste von Spanien erreicht Höhen von über 2600 m und besteht aus einem Krustensegment, welches im Zuge Känozoischer Deformation entlang der Nordiberischen Platte angehoben wurde. Seit dem Ende der variszischen Gebirgsbildung im Spätpaläozoikum wurde das Iberische Massiv zwei großen tektonischen Episoden unterzogen: (1) Riftbildung im Mesozoikum, die um 115 Ma zum kontinentalen Abbruch und zur Öffnung des Atlantiks und des Golfs von Biskaya im Westen und Norden führte, (2) begrenzte Konvergenz entlang des Grabenrands des Golfs von Biskaya ab dem mittleren Eozän. Die vorliegende Studie grenzt die Abkühlgeschichte und daraus resultierende Exhumierung des Paläozoischen Grundgebirges und Variszischer Intrusionen während der vergangenen ca. 250 Ma ein. Fünfunddreißig AFT Proben zeigen Abkühlater im Bereich von 246,7 (26,9) und 68,1 (5,0) Ma, mit durchschnittlichen Spaltspurlängen zwischen 10,4 (1,2) und 12,6 (1,8) µm. Sechs AHe Proben werden zwischen 70,6 (5,2) und 114,4 (14,2) Ma datiert. Modellierung von Zeit-Temperatur-Pfaden weisen auf ein kontinuierliches Abkühlen mit unterschiedlichen Raten hin. Dieses fand während der großen, das Gebiet beeinflussenden tektonischen Ereignisse statt. Ein schnelles Abkühlungsereignis, welches im Spätjura endete, korreliert mit der Absenkung der Geländeoberfläche während der Abtragung des variszischen Gebirges und dem Auseinanderbrechen von Pangäa und ist verantwortlich für die größte Exhumierung mit einer Rate von ca. 0,3 km/Ma. Proben in Galizien kühlten gleichzeitig mit der Riftbildung im Nordantlantik und im Golf von Biskaya im Zeitraum Spätjura bis Frühkreide ab. Sie weisen Exhumierungsraten von ca. 0,25 km/Ma auf. Zwischen 80 bis 100 Ma sind die meisten Proben unter 60 °C abgekühlt, was darauf hinweist, dass der großflächige Abtrag seit dieser Zeit nicht mehr als 1,7 km betrug, unter Annahme eines geothermischen Gradienten von ≥ 27 ºC/km und einer Oberflächentemperatur von 15 °C. Das ausgedehnte Gebiet Zentralgaliziens mit seinem niedrigen Relief wurde nach der post-Riftbildungsphase (80 bis 100 Ma) einer sehr langsame Exhumierung (0,02 km/Ma) unterzogen und wird als Überbleibsel einer prä-Eozänen paläo-Geländeoberfläche interpretiert. Durch die Heraushebung eines Geländerückens nahe der Nordküste Spaniens, während der Aktivierung des Nordiberischen Kontinentalrands, kam es ab dem späten Mitteleozän zu geringfügiger Exhumierung. Dieser Rücken erreicht Höhen von bis zu 1.000 m und scheint mit der Reaktivierung einer ererbten 60 bis 80 Ma alten Steilstufe verbunden zu sein. Durchschnittliche Exhumierungsraten zwischen 0,02 und 0,07 km/Ma spiegeln die jüngste Abtragung während der Bildung des rezenten Reliefs wider. Diese Reliefentwicklung geht auf die beginnende Subduktion entlang des nordiberischen Kontinentalrands vor 46 Ma zurück, verbunden mit der daraus resultierenden Stauchung aufgrund der Konvergenz entlang der nordiberischen Platte. Vertretbare Abschätzungen anhand thermokinematischer 3D-Simulation der durchschnittlichen ursprünglichen Maximalhöhe des Gebirges nach der variszischen Gebirgsbildung bewegen sich zwischen 2.400 und 3.400 m. Die auffällige Übereinstimmung zwischen dem zeitlichen Auftreten der großen tektonischen Ereignisse und Änderungen der Geländeoberfläche sowie der Exhumierungsraten weisen auf tektonische Ursachen als maßgeblichen Faktor der Landschaftsentwicklung im Untersuchungsgebiet hin. Klimatische Effekte indessen spielen vermutlich nur eine nachgeordnete Rolle.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Glasmacher, Prof. Dr. Ulrich A.
Date of thesis defense: 28. February 2011
Date Deposited: 21. Mar 2011 11:16
Date: 2011
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Landschaftsentwicklung, Geomorphologie, Kantabrien, Modellierung
Uncontrolled Keywords: Thermochronologie , Apatit-Spaltspur , 3D thermokinematische Modellierung low-temperature thermochronology , long-term landscape evolution , Cantabrian Mountains , apatite fission-track , 3D thermokinematic modelling
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