Original paper

Stages of the Cenozoic tectonics in central Poland: examples from selected grabens

Widera, Marek; Hałuszczak, Andrzej

Abstract

More than twenty grabens in the Polish Lowlands were tectonically active during the Cenozoic. Four basins were selected for detailed study, including the Mosina, Lubstów, Adamów and Kleszczów grabens. These can be regarded as the most representative of all grabens in the area between the Bohemian Massif, the East European Craton and the Carpathians. The shape and orientation of the Mosina, Lubstów and Kleszczów grabens was controlled by pre-existing Variscan fault zones which were reactivated in the Cenozoic. This was when the Adamów Graben was initiated. Various methods, including the detailed mesostructural observations in existing lignite open-cast mines, were applied to the tectonic analysis. In all cases the compaction process of the lignite seams was taken into consideration. Generally, four deformational stages were recognised in the tectonic evolution of the studied grabens during the Cenozoic. The studied basins, which are all extensional, formed within a predominantly compressive regional stress field. These grabens (excluding the Kleszczów Graben) were initiated at the turn of Eocene/Early Oligocene as reflected by the presence of Early Oligocene-age sediments at the base of the succession. The lack of Upper Oligocene deposits may be related to a period of uplift across the entire Polish Lowlands territory which occurred at that time. In the second extensional stage, from the Early to Middle Miocene, there was marked subsidence in all of the grabens. In the Early Miocene, the main lignite seam was formed in the Kleszczów Graben, but the thickest seams, the 2nd Lusatian Lignite, were deposited at the beginning of the Middle Miocene in the Lubstów and Mosina grabens. The third tectonic stage took place from the Middle Miocene, following deposition of the 2nd Lusatian Lignite Seam, to the Elsterian glaciation, or to the Saalian 2 in the Kleszczów Graben. During that time the 1st Middle-Polish (1st Lusatian) Lignite Seam, as found in the Adamów Graben, was produced. Coevally, there was a period of compressional activity, which resulted in uplift of the axial parts of the Kleszczów and Lubstów grabens (up to 30-100 m) and the formation of the main Neogene unconformities. The final recent stage is only evident in the Kleszczów Graben, as evidenced by the uplift of the Dębina Salt Dome as well as the occurrence of local earthquakes caused by mining activity. The differences in the shape of the studied grabens (orientation of the major boundary faults) and the minor fault orientation (documented in the lignite open-casts mines) are interpreted as resulting from the interaction of regional and local stress fields.

Kurzfassung

Während des Känozoikums sind mehr als zwanzig tektonische Gräben im Polnischen Tiefland entstanden. Detaillierte tektonische und allgemein geologische Untersuchungen sind in vier von diesen Gräben (Mosina, Lubustów, Adamów und Kleszczów) durchgeführt worden. Die ausgewählten Strukturen können als typische Beispiele der Grabenentwicklung im Gebiet zwischen dem Böhmischen Massiv, Osteuropäischer Plattform und den Karpaten betrachtet werden. Form und Verlauf des Mosina-, Lubustów- und des Kleszczów-Grabens wurden durch die variszischen Störungszonen vorgegeben, die während des Känozoikums reaktiviert wurden. Dies erfolgte in der Zeit, als sich der Adamów-Graben zu öffnen begann. Die strukturtektonische Analyse wurde mit Hilfe von verschiedenen Methoden in den Braunkohle-Tagebauen durchgeführt. Dabei ist in allen Fällen die Kompaktion der Flöze berücksichtigt worden. In der Entwicklung der untersuchten Gräben wurden vier Deformationsphasen identifiziert. Alle Gräben sind infolge der Krustendehnung innerhalb eines regionalen Kompressions-Spannungsfeldes entstanden. Mit Ausnahme des Kleszczów-Grabens hat die Entwicklung aller anderen Gräben an der Eozän/Oligozän-Wende begonnen. Das Fehlen der oberoligozänen Sedimente ist auf die Hebung des gesamten Polnischen Tieflands zurückzuführen. Die zweite Dehnungsphase im Untermiozän und Mittelmiozän zeichnete sich durch starke Subsidenz aus. Im Kleszczów-Graben bildete sich das Hauptflöz während des unteren Miozäns. Im Lubustów- und Mosina-Graben stammen dagegen die mächtigsten Flöze (2. Lausitzer Flöz) aus dem mittleren Miozän. Die dritte tektonische Phase fand zwischen dem mittleren Miozän und dem Elster-Glazial oder dem Saale-Glazial statt, wie im Kleszczów Graben. Während dieser Zeit ist das 1. Mittelpolnische Flöz (1. Lausitzer Flöz) entstanden, wie zum Beispiel im Adamów-Graben. Gleichzeitig war dies eine Kompressionsphase, die eine Hebung (von 30 bis 100 m) des axialen Abschnittes des Kleszczów- und des Lubustów-Grabens und die Entstehung der Haupt-Neogen-Diskordanz verursachte. Die letzte Phase ist nur im Kleszczów-Graben bemerkbar. Sie zeichnet sich durch die Hebung des Debina-Salzstocks ab und auch durch das Auftreten von lokalen Erdbeben als Folge des Braunkohleabbaus. Die Unterschiede in der Form der untersuchten Gräben (Verlauf der Hauptbrüche) und in der Richtung von sekundären Störungen (identifiziert in den Braunkohle-Tagebauen) werden als Folge der Wechselwirkung der lokalen Spannungsfelder mit dem regionalen Feld interpretiert.

Keywords

polish lowlandscenozoic grabenstectonic stagesligniteregional and local stress