German Title: Integrierte numerische Modellierung eines mehrphasig deformierten Sedimentbeckens, südliches Kantabrisches Becken (Paläozoikum, NW-Spanien)

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Abstract

In order to model highly deformed sedimentary basins, structural balancing must be carried out prior to 2D reverse basin and 2D stratigraphic forward modelling. This study investigates the Southern Cantabrian Basin, which is the Variscan foreland fold-and-thrust belt of NW Spain. Structural balancing offers approximations of predeformational, spatial relationships between measured cross-sections. It provides information about minimal basin shortening and Late Devonian basin geometry. Three different structural domains can be distinguished along the synthetic, 18km long Bernesga Transect. The style of structural deformation defines the amount of shortening calculated for each domain. The Pedrosa domain has the highest values of up to 65%, followed by the northern Bodón (41%) and the southern Alba (25%) domains. Thrusting and folding each cause approximately the same amount of shortening. At basin scale, the amount of total shortening of the deformed basin infill is 54% at minimum, excluding small-scale faulting and folding. 2D numerical reverse basin modelling is used to estimate the basin architecture development and to establish thermo-tectonic subsidence rates as initial numerical input for the subsequent 2D stratigraphic forward modelling. Six major subsidence trends within the total subsidence rates and its components (thermo-tectonic, flexural-induced and compaction-induced) can be distinguished between 560Ma and 313Ma. These trends reflect a complex evolution from a rift stage, to a post-rift stage (passive continental margin) and finally to a foreland basin, governed by the approach of the Variscan Orogen in the Lower Carboniferous. The rift stage is characterised by decreasing thermo-tectonic subsidence rates until the Middle Cambrian. The time that follows (Late Cambrian until Late Ordovician) is marked by periods of tectonic quiescence and activity, until the passive continental margin established in the Silurian. The post-rift stage is represented by two second-order encroachment subcycles with durations of 20Ma and 41Ma respectively. They result from subsidence patterns and basinward shifts of regional onlap. Maximum marine flooding was reached during Early Llandoverian. The Variscan foredeep stage is characterised by a highly subsiding depocenter, which moves from S to N in time (present day coordinates). This movement reflects the propagation of the Variscan Orogen, with velocities ranging between 4 and 12km/Ma. 2D stratigraphic forward modelling visualises the predicted depositional history along the synthetic Bernesga Transect and quantifies the physical factors determining deposition. From the latest Neoproterozoic to the Early Ordovician the Southern Cantabrian Basin is dominated by a considerable flux of siliciclastic sediments (2600 to 4600m^2/ka). Following a substantial drop in siliciclastic input by more than 65% at the end of Silurian, significant carbonate production started in the Early Devonian. The Devonian is marked by alternating periods of considerable siliciclastic flux rates (2500 to 4600m^2/ka) and prolific carbonate production. Three Devonian carbonate factories (Abelgas, Santa Lucía and Portilla formations) display decompacted carbonate production rates from 90 to 780m/Ma, each depending on (i) amount of siliciclastic input, (ii) accommodation space available and (iii) palaeogeographic position of the depositional area. The production and destruction of accommodation space is governed by differential thermo-tectonic and flexural-induced subsidence, along with fluctuating eustatic sea-level and sediment flux. Due to increased siliciclastic influx and diminishing accommodation space, the decompacted carbonate production rates of the Portilla Fm. dropped by 81% in comparison to the Santa Lucía Fm.

Translation of abstract (German)

Numerische 2D Rückwärts-und stratigraphische 2D Vorwärts-Modellierungen in stark deformierten Sedimentbecken erfordern eine vorgeschaltete strukturelle Bilanzierung. Diese Arbeit untersucht das südliche Kantabrische Becken, welches sich im variszischen Vorland Falten-und Überschiebungsgürtel NW-Spaniens befindet. Strukturelle Bilanzierung liefert Näherungen von räumlichen Beziehungen zwischen gemessenen Profilen vor der tektonischen Deformation und stellt Informationen über die Minimalverkürzung und die spätdevonische Beckenarchitektur zur Verfügung. Entlang des synthetischen, 18km langen Bernesga Transektes können drei strukturelle Einheiten unterteilt werden, deren unterschiedlicher Deformationsstil den Verkürzungsbetrag definieren. Die Pedrosa Einheit erreicht die höchste tektonische Verkürzung von 65%, gefolgt von der Bodón Einheit mit 41% und der Alba Einheit im Süden mit 25%. Die Überschiebungsweiten und interne Faltung verursachen ungefähr die gleiche Verkürzung. Minimale Verkürzung der deformierten Beckenfüllung beträgt im Beckenmaßstab 54%, wobei kleinräumige Falten und Störungen nicht berücksichtigt wurden. Die numerische 2D Rückwärtsmodellierung wird verwendet, um die Entwicklung der Beckenarchitektur abzuschätzen sowie thermo-tektonische Subsidenzraten als initiale Eingabe für die folgende, stratigraphische 2D Vorwärtsmodellierung zu ermitteln. Zwischen 560Ma and 313Ma können innerhalb der totalen Subsidenzraten und ihrer Komponenten (thermo-tektonisch, flexurell-und kompaktions-induziert) sechs bedeutende Subsidenztrends unterschieden werden. Diese Trends spiegeln die komplexe Beckenentwicklung wider, angefangen mit dem Riftstadium, übergehend zum Post-Riftstadium (passiver Kontinentalrand) und schließlich zum Vorlandbecken, gesteuert durch das herannahende variszische Orogen im Unter-Karbon. Das Riftstadium ist durch abnehmende thermo-tektonische Subsidenzraten bis zum Mittel-Kambrium markiert. Die darauf folgende Zeit spiegelt Perioden der tektonischen Ruhe und Aktivität wieder, bis sich im Silur der stabile, passive Kontinentalrand etabliert. Das Post-Riftstadium ist durch zwei 20Ma und 41Ma lange �Encroachment�-Subzyklen vertreten, charakterisiert durch Subsidenzmuster und die beckenwärtige Verschiebung des regionalen �Onlap�. Maximale marine Überflutung wird während des frühen Llandovery erreicht. Stark absinkende Depozentren, die in der Zeit vom Süden nach Norden migrieren (Bezug auf das heutige Koordinatensystem), kennzeichnen das variszische Vorlandbeckenstadium. Diese Bewegungen spiegeln das Voranschreiten des variszischen Orogens wieder, welches mit Geschwindigkeiten von 4 bis 12km/Ma erfolgt. Die stratigraphische 2D Vorwärtsmodellierung visualisiert die Ablagerungsgeschichte entlang des synthetischen Bernesga Transektes und quantifiziert physikalische Steuerungsfaktoren, welche die Ablagerung beeinflussen. Vom spätesten Neoproterozoikum bis in das frühe Ordovizium wird das südliche Kantabrische Becken von hohen siliziklastischen Sedimentfluxraten (2600 bis 4600m^2/ka) dominiert. Nach einem beträchtlichen Abfall des siliziklastischen Eintrags um mehr als 65% Ende des Silur, begann Anfang Devon die Karbonatproduktion im bedeutenden Umfang. Das Devon wird durch wechselnde Etappen hohen siliziklastischen Eintrags (Raten von 2500 to 4600m^2/ka) und effektiver Karbonatproduktion charakterisiert. Drei Phasen devonischer Karbonatsedimentation (Abelgas-, Santa Lucía- und Portilla-Fm.) zeigen dekompaktierte Karbonatproduktionsraten von 90 bis 780m/Ma, abhängig von (i) der Menge an siliziklastischem Eintrag, (ii) vorhandenem Akkommodationsraum und (iii) der paläogeographischen Position des Ablagerungsgebietes. Die Schaffung und Zerstörung des Akkommodationsraumes wird dabei von differentieller thermo-tektonischer und flexurell-induzierter Subsidenz zusammen mit eustatischen Meeresspiegelschwankungen und Sedimenteintrag gesteuert. Aufgrund des erhöhten siliziklastischen Eintrags und des abnehmenden Akkommodationsraumes zur Zeit der Portilla-Fm. gehen dekompaktierte Karbonatproduktionsraten im Vergleich zur Santa Lucía-Fm. um 81% zurück.