Original paper

Influence of the geometry of orogenic loads on foreland basins: Preliminary results

Garfunkel, Zvi; Greiling, Reinhard O.

Kurzfassung

Unter Voraussetzung einer linear-elastischen Rheologie werden Vorland-Becken modelliert, die durch die Verbiegung der Lithosphäre entstehen. Die entsprechenden Differentialgleichungen werden für verschiedene tektonische (Auf-)Lasten sowie eine Reihe von Lithosphären-Parametern mit Hilfe eines PC gelöst. Die Modellierung verschiedener orogener Lasten mit verschiedener Form zeigt den starken Einfluß, den der externe Teil des orogenen Keils bzw. Form und Entwicklung der äußeren 150--200 km der Last ausüben. Diese Faktoren bestimmen die wichtigsten Parameter des Beckens und wirken zusätzlich zu den bereits früher angewandten Faktoren wie mechanische Eigenschaften der unterlagernden Lithosphäre und Ausmaß der Beckenfüllung. Die Entwicklung von Vorlandbecken hängt also enger mit der des benachbarten Orogens zusammen als vorher bekannt war. Dreieckige orogene Keile bewirken Becken, deren Querschnitt wieder dreieckig ist, aber mit der Spitze nach unten. Die Becken wandern über das Vorland, wenn die tektonische Last sich vorwärts bewegt. Eine Verdickung der Last durch interne Deformation des Keils ergibt Becken, die auf der ganzen Breite gleichzeitig absinken, auch wenn die Last statisch ist und sich nicht über das Vorland bewegt. Lasten mit sehr spitz keilförmigen externen Teilen repräsentieren Orogene mit externen "thin-skinned" Falten- und Überschiebungs-Komplexen und verursachen relativ flache Becken (z.B. Skandinavische Kaledoniden). Dazu gehören wohl auch flache, allochthone ("piggy-back") Becken wie z.B. das Schweizer Molasse-Becken. In einigen Fällen verursachen solche dünnen Lasten überhaupt kein Becken bei ihrer Vorwärtsbewegung. Ergebnisse der Modellierung werden mit der Entwicklung der Nord-Alpinen Molasse-Becken verglichen, einerseits um sie gegen ein natürliches Beispiel zu testen, andererseits um zu zeigen, wie die Entwicklung von Vorland-Becken mit der des benachbarten Orogens in Beziehung steht.

Abstract

We model flexural foreland basins assuming a linear elastic rheology and solve the governing differential equations for various tectonic loads and a range of lithospheric parameters. The models were calculated by applying standard numerical techniques on a PC. Modelling of orogenic loads with different geometries shows that the basins are strongly influenced by the shape and evolution of the external 150--200 km of the loads (i.e. the external part of the orogenic wedge). These factors control major features of the basins, in addition to previously established factors such as the mechanical properties of the lithosphere beneath the loads and the extent of the basin fill. The development of foreland basins is thus more closely related to the evolution of the adjacent orogen than was known earlier. Triangular tectonic wedges produce basins with cross-sections resembling inverted triangles; the basins migrate over the foreland when the loads advance. Thickening of the loads by internal deformation will produce basins whose entire width subsides simultaneously, even when the loads are static and do not migrate over the foreland. Loads with slowly tapering frontal parts, which describe orogens with external thin-skinned thrust and fold complexes, will produce relatively shallow basins (e.g. Scandinavian Caledonides); these may include flat-bottomed piggy-back basins (e.g. the Swiss Molasse basin). In some cases deformation and advance of such thinskinned loads may not produce any frontal topographic depressions. Some results of the modelling are tested against the history of the N-Alpine Molasse basin, in order to show how features of foreland basins can be related to the development of the adjacent orogenic wedge.