TECTONOTHERMAL EVOLUTION OF THE CENTRAL-WESTERN CARPATHIANS AND THEIR FORELAND

The tectonic and thermal evolution of the Carpathian thrust and fold belt-foreland system is a topic of great interest both for the occurrence of potential oil and gas fields and for the presence of any enigmatic features that needs an alternative interpretation to the commonly accepted models proposed so far. This study is focussed on the area including the southern Poland, the western Ukraine and the crystalline complex and its sedimentary cover cropping out in the Western Slovakia. The analysis of such a complex tectonic scenario is carried out by the construction of new balanced and sequentially restored cross-sections integrated with low-Temperature (low-T) thermochronometry. Coupling these data it is possible to provide a thermo-kinematic model honouring both the presented structural model and the thermochronometric data and, at the same time, validate the proposed tectonic scenario. Five balanced cross-sections were constructed from the foreland to the Inner Carpathian domain. Cross-section building and balancing are performed using Move, software dedicated to the kinematic restoration. These sections were then integrated with new apatite fission track and apatite (U-Th)/He data to constrain the last cooling event. Although the cooling of the Inner and the Outer Carpathians are well documented in literature, no low-T thermochronometric data are present from the Pieniny Klippen Belt located between them. Apatite fission track and apatite (U-Th)/He analysis were performed on five samples made of siliciclastic sandstones coming from this narrow belt .Both the balanced sections and low-T thermochronometric data were processed with FETKIN, software developed at The University of Texas in Austin in collaboration with Ecopetrol and dedicated to low-T thermochronometric age prediction and forward modelling. This processing allows to define the evolution of the thermal field through time. Basing on a review of the sedimentological and stratigraphic works, the Outer and the Inner Carpathian successions are interpreted as deposited in the same sedimentary domain and the Pieniny Klippen Belt as a sedimentary unit deposited in the proximal part of the Inner Carpathian foreland basin, overthrusted on the Outer Carpathian deposits during the Late Eocene. The Mesozoic olistoliths and olistostromes forming the Pieniny wildflysh are here interpreted as coming from the eroded Mesozoic cover of the IC range. New apatite fission track and apatite (U-Th)/He data coming from the Pieniny Klippen Belt constrained its last cooling event to the Middle-Late Miocene, coeval with the cooling of the Inner Carpathian region. The balanced cross-sections show a progressive increasing of the Outer Carpathian shortening moving to the east (from 60% in the Polish region to 64% in the Ukrainian Carpathians). Furthermore, the cross-sections constructed in the central part of our study area highlight the relevant role of the post-thrusting low-angle normal faults in the exhumation process of this area. On the other side, no evidences of post thrusting normal faults occur in the Ukrainian region, where published low-T thermochronometric data suggest an exhumation triggered mainly by regional uplift. In this work the suggested tectonic scenario is successfully tested with FETKIN, to demonstrate that thrusting is the principal mechanism controlling the exhumation ages of the Western Polish Carpathians and to evaluate the effects of subsidence, topography and tectonics on the thermochronometric age prediction.  

Lo studio dell’evoluzione tettonica e termica dei Carpazi è stato da sempre un argomento di grande interesse sia per la presenza di giacimenti ad olio e gas potenzialmente sfruttabili sia per questioni scientifiche. Il quadro geologico e geodinamico dell’area è caratterizzato da aspetti ancora enigmatici che potrebbero essere spiegati con modelli alternativi a quelli comunemente accettati in letteratura. In particolare, questo lavoro è incentrato sullo studio dell’area comprendente la Polonia Meridionale, la Slovacchia e l’ Ucraina occidentale e si basa sullo studio di sezioni geologiche bilanciate e retrodeformate integrate con dati termocronometrici di bassa temperatura. Combinando opportunamente questi dati è possibile definire un modello termo-cinematico strettamente connesso con il modello strutturale adottato e che, allo stesso tempo, ne consente la validazione. In questo lavoro verranno presentate cinque sezioni geologiche che dall’avampaese polacco e ucraino si estendono fino alla regione dei Carpazi Interni. Queste sezioni sono state bilanciate e rerodeformate grazie all’utilizzo di Move, programma dedicato alla modellizzazione strutturale e successivamente integrate con dati di tracce di fissione e (U-Th)/He su apatite per vincolarne l’ultima fase esumativa. Sebbene l’età di esumazione dei Carpazi Interni ad Esterni sia ben documentata in letteratura, non si può dire lo stesso per la Pieniny Klippen Belt compresa fra i sopracitati domini tettonici. Sono stati prelevati ad analizzati cinque campioni di arenarie silicoclastiche lungo la Pieniny Klippen Belt sui quali sono state fatte analisi di tracce di fissione ed (U-Th)/He su apatite. Questi dati, insieme alle sezioni retrodeformate, sono stati processati con FETKIN, software sviluppato presso l’University of Texas in Austin in collaborazione con Ecopetrol e dedicato al calcolo delle età di raffreddamento lungo una sezione bilanciata. In questo modo è stato possibile anche definire l’evoluzione del campo termico nel tempo. Sulla base della revisione dei lavori sedimentologici e stratigrafici fatti in quest’area, i Carpazi Esterni and Interni sono qui interpretati come appartenenti allo stesso dominio sedimentario pre-orogenico e la Pieniny Klippen Belt come un’unità sedimentaria depositatasi in una zona prossimale dell’avampaese dei Carpazi Interni. Durante l’Eocene Superiore questa unità è sovrascorsa sui depositi dei Carpazi Esterni. Gli olistoliti e olistostromi Mesozoici, che rappresentano una delle componenti principali del cosiddetto Pieniny wildflysch, sono qui interpretate come parte della successione Mesozoica dei Carpazi Interni, erosa durante l’Eocene e sedimentatasi nel relativo avampaese. L’età di esumazione di questi depositi risale al Miocene Medio-Superiore e risulta essere coeva all’esumazione registrata per i Carpazi Interni. Diverse età e processi esumativi sono stati invece riconosciuti nei Carpazi Esterni. In Polonia occidentale, nonostante la presenza di faglie normali ad alto angolo, l’esumazione è controllata principalmente dal thrusting. Un’ulteriore conferma viene dal modello termo-cinematico prodotto con FETKIN. Il settore orientale della Polonia, invece, risulta essere interessato da faglie normali a basso angolo successive al thrusting che ne controllano l’esumazione del blocco di letto. In Ucraina non ci sono evidenze di faglie normali. Qui l’esumazione è controllata da un sollevamento isostatico che ha interessato la regione successivamente al thrusting. La costruzione di sezioni geologiche bilanciate ha permesso inoltre di calcolare il raccorciamento che risulta essere crescente verso est. (dal 60% dei Carpazi Polacchi al 64% in quelli Ucraini). Va sottolineata inoltre l’applicazione di FETKIN in regime compressivo. Questo software è stato testato con successo e ha permesso di valutare l’effetto che le variazioni topografiche, la tettonica e la subsidenza hanno sulla modellizzazione delle isoterme e quindi sul calcolo delle età di raffreddamento.