Paolo Ballato

• Foreland-basin systems are excellent archives to decipher the feedbacks between surface and tectonic processes in orogens. The sedimentary architecture of a foreland-basin system reflects the balance between tectonic subsidence causing long-term accommodation space and sediment influx corresponding to efficiency of erosion and mass-redistribution processes. In order to explore the effects of climatic and tectonic forcing in such a system, I investigated the Oligo-Miocene foreland-basin sediments of the southern Alborz mountains, an intracontinental orogen in northern Iran, related to the Arabia-Eurasia continental collision. This work includes absolute dating methods such as 40Ar/39Ar and zircon (U-Th)/He thermochronology, magnetostratigraphy, sedimentological analysis, sandstone and conglomerate provenance study, carbon and oxygen isotope analysis, and clay mineralogy study. Results show a systematic correlation between coarsening-upward cycles and sediment accumulation rates in the basin on 105 to 106yr time scales. During thrustForeland-basin systems are excellent archives to decipher the feedbacks between surface and tectonic processes in orogens. The sedimentary architecture of a foreland-basin system reflects the balance between tectonic subsidence causing long-term accommodation space and sediment influx corresponding to efficiency of erosion and mass-redistribution processes. In order to explore the effects of climatic and tectonic forcing in such a system, I investigated the Oligo-Miocene foreland-basin sediments of the southern Alborz mountains, an intracontinental orogen in northern Iran, related to the Arabia-Eurasia continental collision. This work includes absolute dating methods such as 40Ar/39Ar and zircon (U-Th)/He thermochronology, magnetostratigraphy, sedimentological analysis, sandstone and conglomerate provenance study, carbon and oxygen isotope analysis, and clay mineralogy study. Results show a systematic correlation between coarsening-upward cycles and sediment accumulation rates in the basin on 105 to 106yr time scales. During thrust loading phases, the coarse-grained fraction supplied by the uplifting range is stored in the proximal part of the basin (sedimentary facies retrogradation), while fine-grained sediments are deposited in distal sectors. Variations in sediment provenance during these phases of enhanced tectonic activity give evidence for erosional unroofing phases and/or drainage-reorganization events. In addition, enhanced tectonic activity promoted the growth of topography and associated orographic barrier effects, as demonstrated by sedimentologic indicators and the analysis of stable C and O isotopes from calcareous paleosols and lacustrine/palustrine samples. Extensive progradation of coarse-grained deposits occurs during phases of decreased subsidence, when the coarse-grained fraction supplied by the uplifting range cannot be completely stored in the proximal part of the basin. In this environment, a reduction in basin subsidence is associated with laterally stacked fluvial channel deposits, and is related to intra-foreland uplift, as documented by growth strata, tectonic tilting, and sediment reworking. Increase in sediment accumulation rate associated with progradation of vertically-stacked coarse-grained fluvial channels also occurs. Paleosol O-isotope data shows that this increase is related to wetter climatic phases, suggesting that surface processes are more efficient and exhumation rates increase, giving rise to a positive feedback. Furthermore, isotopic and sedimentologic data show that starting from 10-9 Ma, climate became less arid with an increase in seasonality of precipitation. Because important changes were also recorded in the Mediterranean Sea and Asia at that time, the evidence for climatic variability observed in the Alborz mountains most likely reflects changes in Northern Hemisphere atmospheric circulation patterns. This study has additional implications for the evolution of the Alborz mountains and the Arabia-Eurasia continental collision zone. At the orogenic scale, the locus of deformation did not move steadily southward, but stepped forward and backward since Oligocene time. In particular, from ~ 17.5 to 6.2 Ma the orogen grew by a combination of frontal accretion and wedge-internal deformation on time scales of ca. 0.7 to 2 m.y. Moreover, the provenance data suggest that prior to 10-9 Ma the shortening direction changed from NW-SE to NNE-SSW, in agreement with structural data. On the scale of the entire collision zone, the evolution of the studied basins and adjacent mountain ranges suggests a new geodynamic model for the evolution of the Arabia-Eurasia continental collision zone. Numerous sedimentary basins in the Alborz mountains and in other locations of the Arabia-Eurasia collision zone record a change from a tensional (transtensional) to a compressional (transpressional) tectonic setting by ~ 36 Ma. I interpret this to reflect the onset of subduction of the stretched Arabian continental lithosphere beneath central Iran, leading to moderate plate coupling and lower- and upper-plate deformation (soft continental collision). The increase in deformation rates in the southern Alborz mountains from ~ 17.5 Ma suggests that significant upper-plate deformation must have started by the early Miocene most likely in response to an increase in degree of plate coupling. I suggest that this was related to the subduction of thicker Arabian continental lithosphere and the consequent onset of hard continental collision. This model reconciles the apparent lag time of 15-20 m.y between the late Eocene to early Oligocene age for the initial Arabia-Eurasia continental collision and the onset of widespread deformation across the collision zone to the north in early to late Miocene time.…
• Systeme von Vorlandbecken repräsentieren bedeutende geologische Archive und dienen dem Verständnis von Rückkopplungen zwischen oberflächennahen und tektonischen Prozessen. Außerdem dokumentieren sie die Entwicklung unmittelbar angrenzender Bergketten. Die sedimentären Abfolgen in Vorlandbecken reflektieren das Gleichgewicht zwischen tektonischer Subsidenz, der Bildung langzeitlichen Akkommodationsraumes und des Sedimenteintrages, welcher wiederum die Wirksamkeit von Erosions- und Massenneuverteilungsprozessen wiederspiegelt. Um die Effekte von Klima und Tektonik in einem solchen System zu erforschen, untersuchte ich die Oligo-Miozänen Sedimente in den Vorlandbecken der südlichen Elburs Bergkette, einem intrakontinentalen Gebirge in Nord-Iran, das im Zuge der Arabisch-Eurasischen Kontinent-Kollision herausgehoben wurde. In dieser Studie der Vorlandbeckensedimente wurden Datierungstechniken angewandt (40Ar/39Ar, (U-Th)/He Thermochronologie und Magnetostratigraphie), die Sedimente und deren Herkunft analysiert und die Tonmineralogie,Systeme von Vorlandbecken repräsentieren bedeutende geologische Archive und dienen dem Verständnis von Rückkopplungen zwischen oberflächennahen und tektonischen Prozessen. Außerdem dokumentieren sie die Entwicklung unmittelbar angrenzender Bergketten. Die sedimentären Abfolgen in Vorlandbecken reflektieren das Gleichgewicht zwischen tektonischer Subsidenz, der Bildung langzeitlichen Akkommodationsraumes und des Sedimenteintrages, welcher wiederum die Wirksamkeit von Erosions- und Massenneuverteilungsprozessen wiederspiegelt. Um die Effekte von Klima und Tektonik in einem solchen System zu erforschen, untersuchte ich die Oligo-Miozänen Sedimente in den Vorlandbecken der südlichen Elburs Bergkette, einem intrakontinentalen Gebirge in Nord-Iran, das im Zuge der Arabisch-Eurasischen Kontinent-Kollision herausgehoben wurde. In dieser Studie der Vorlandbeckensedimente wurden Datierungstechniken angewandt (40Ar/39Ar, (U-Th)/He Thermochronologie und Magnetostratigraphie), die Sedimente und deren Herkunft analysiert und die Tonmineralogie, sowie Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass auf einer Zeitskala von 105 bis 106 Jahren eine systematische Korrelation zwischen „coarsening upward“ Zyklen und den sedimentären Akkumulationsraten besteht. Während sukzessiver Überschiebungsphasen werden die durch Hebung der Bergkette bereitgestellten groben Kornfraktionen in proximale Bereiche des Beckens geliefert und feinkörnige Fazies in distalen Beckenregionen abgelagert. Variationen in der Sedimentherkunft in Phasen größerer tektonischer Aktivität zeugen von erosionaler Abdeckung und/oder der Umorganisation natürlicher Entwässerungsstrukturen. Außerdem zeigen die Untersuchungen an stabilen Isotopen, dass die verstärkte tektonische Aktivität das Anwachsen der Topographie förderte und damit die Wirksamkeit einer topographischen Barriere erhöhte. Wenn aufgrund nachlassender Beckenabsenkung die grobe Kornfraktion nicht vollständig im Nahbereich des Beckens aufgenommen werden kann breitet sie sich in ferne Beckenregionen aus. Im Elburs wird die verringerte Subsidenz durch eine interne Hebung des Vorlandes hervorgerufen und ist mit einer lateralen Stapelung von Flussbetten assoziiert. Dokumentiert wird dies anhand konsequenten Schichtwachstums, tektonischer Schrägstellung und sedimentärer Umlagerung. Gleichzeitig nehmen die Sedimentationsraten zu. Die Sauerstoff-Isotope der Paläoböden zeigen, dass dieser Anstieg mit einer Phase feuchteren Klimas einhergeht, wodurch Oberflächenprozesse effizienter werden und Heraushebungssraten steigen, was eine positive Rückkopplung erzeugt. Des Weiteren zeigen die isotopischen und sedimentären Daten, dass seit 10-9 Millionen Jahren (Ma) das Klima durch saisonalen Anstieg der Niederschläge zunehmend feuchter wurde. Da bedeutende klimatische Veränderungen zu dieser Zeit auch im Mittelmeerraum und Asien beobachtet wurden, ist anzunehmen, dass die klimatische Veränderung, die im Elburs Gebirge beobachtet wird, höchstwahrscheinlich Änderungen der atmosphärischen Zirkulationen der nördlichen Hemisphäre reflektiert. Aus den Ergebnissen dieser Studie lassen sich zusätzliche Implikationen für die Entwicklung des Elburs Gebirges und die Arabisch-Eurasische kontinentale Kollisionszone ableiten. Die orogen-weite Hauptdeformation propagierte nicht gleichmäßig nach Süden, sondern seit dem Oligozän schrittweise vorwärts und rückwärts. Insbesondere von ~17,5 bis 6,2 Ma wurde das Gebirge durch eine Kombination aus frontaler Akkretion und interner Keildeformation in Schritten von 0,7 bis 2 Millionen Jahren herausgehoben. Darüber hinaus deuten die Sedimentherkunftsdaten darauf hin, dass sich noch vor 10-9 Ma die Haupteinengungsrichtung von NW-SE nach NNE-SSW veränderte. Regional erlaubt die Geschichte der untersuchten Becken und angrenzenden Gebirgszüge Rückschlüsse auf ein neues geodynamisches Model zur Entwicklung der Arabisch-Eurasischen kontinentalen Kollisionszone. Zahlreiche Sedimentbecken des Elburs Gebirges und anderer Lokalitäten der Arabisch-Eurasischen Deformationszone belegen einen Wechsel von einem tensionalen zu einem kompressionalen tektonischen Regime vor ~36 Ma . Dieser Wechsel könnte den Beginn der Subduktion von gedehnter arabischer kontinentaler Lithosphäre unter Zentral-Iran bedeuten, was zu einer moderaten Plattenkopplung und Deformation von Unter- sowie Oberplatte geführt hat. Der Anstieg der Deformationsraten im südlichen Elburs Gebirge seit ~17,5 Ma lässt vermuten, dass die Oberplatte, wahrscheinlich aufgrund steigender Plattenkopplung, seit dem frühen Miozän signifikant deformiert wurde. Diese Veränderung könnte der Subduktion mächtigerer arabischer kontinentaler Lithosphäre zugeschrieben werden und den Anfang echter kontinentaler Kollision bedeuten. Dieses Model erklärt daher die Zeitverzögerung zwischen der Initiation der Arabisch-Eurasischen kontinentalen Kollision (Eozän-Oligozän) and dem Beginn ausgedehnter Deformation in der Kollisionszone (Miozän).…