TY  - JOUR
A1  - Neuharth, Derek
A1  - Brune, Sascha
A1  - Wrona, Thilo
A1  - Glerum, Anne
A1  - Braun, Jean
A1  - Yuan, Xiaoping
T1  - Evolution of rift systems and their fault networks in response to surface processes
JF  - Tectonics
N2  - Continental rifting is responsible for the generation of major sedimentary basins, both during rift inception and during the formation of rifted continental margins. Geophysical and field studies revealed that rifts feature complex networks of normal faults but the factors controlling fault network properties and their evolution are still matter of debate. Here, we employ high-resolution 2D geodynamic models (ASPECT) including two-way coupling to a surface processes (SP) code (FastScape) to conduct 12 models of major rift types that are exposed to various degrees of erosion and sedimentation. We further present a novel quantitative fault analysis toolbox (Fatbox), which allows us to isolate fault growth patterns, the number of faults, and their length and displacement throughout rift history. Our analysis reveals that rift fault networks may evolve through five major phases: (a) distributed deformation and coalescence, (b) fault system growth, (c) fault system decline and basinward localization, (d) rift migration, and (e) breakup. These phases can be correlated to distinct rifted margin domains. Models of asymmetric rifting suggest rift migration is facilitated through both ductile and brittle deformation within a weak exhumation channel that rotates subhorizontally and remains active at low angles. In sedimentation-starved settings, this channel satisfies the conditions for serpentinization. We find that SP are not only able to enhance strain localization and to increase fault longevity but that they also reduce the total length of the fault system, prolong rift phases and delay continental breakup.
KW  - rifts
KW  - fault network
KW  - surface processes
KW  - geodynamics
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1029/2021TC007166
SN  - 0278-7407
SN  - 1944-9194
VL  - 41
IS  - 3
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lauer-Dünkelberg, Gregor
T1  - Extensional deformation and landscape evolution of the Central Andean Plateau
T1  - Dehnungsdeformation und Landschaftsentwicklung des zentralen Andenplateaus
N2  - Mountain ranges can fundamentally influence the physical and and chemical processes that shape Earths’ surface. With elevations of up to several kilometers they create climatic enclaves by interacting with atmospheric circulation and hydrologic systems, thus leading to a specific distribution of flora and fauna. As a result, the interiors of many Cenozoic mountain ranges are characterized by an arid climate, internally drained and sediment-filled basins, as well as unique ecosystems that are isolated from the adjacent humid, low-elevation regions along their flanks and forelands. These high-altitude interiors of orogens are often characterized by low relief and coalesced sedimentary basins, commonly referred to as plateaus, tectono-geomorphic entities that result from the complex interactions between mantle-driven geological and tectonic conditions and superposed atmospheric and hydrological processes. The efficiency of these processes and the fate of orogenic plateaus is therefore closely tied to the balance of constructive and destructive processes – tectonic uplift and erosion, respectively. In numerous geological studies it has been shown that mountain ranges are delicate systems that can be obliterated by an imbalance of these underlying forces. As such, Cenozoic mountain ranges might not persist on long geological timescales and will be destroyed by erosion or tectonic collapse. Advancing headward erosion of river systems that drain the flanks of the orogen may ultimately sever the internal drainage conditions and the maintenance of storage of sediments within the plateau, leading to destruction of plateau morphology and connectivity with the foreland. Orogenic collapse may be associated with the changeover from a compressional stress field with regional shortening and topographic growth, to a tensional stress field with regional extensional deformation and ensuing incision of the plateau. While the latter case is well-expressed by active extensional faults in the interior parts of the Tibetan Plateau and the Himalaya, for example, the former has been attributed to have breached the internally drained areas of the high-elevation sectors of the Iranian Plateau.
In the case of the Andes of South America and their internally drained Altiplano-Puna Plateau, signs of both processes have been previously described. However, in the orogenic collapse scenario the nature of the extensional structures had been primarily investigated in the northern and southern terminations of the plateau; in some cases, the extensional faults were even regarded to be inactive. After a shallow earthquake in 2020 within the Eastern Cordillera of Argentina that was associated with extensional deformation, the state of active deformation and the character of the stress field in the central parts of the plateau received renewed interest to explain a series of extensional structures in the northernmost sectors of the plateau in north-western Argentina. This study addresses (1) the issue of tectonic orogenic collapse of the Andes and the destruction of plateau morphology by studying the fill and erosion history of the  central eastern Andean Plateau using sedimentological and geochronological data and (2) the kinematics, timing and magnitude of extensional structures that form well-expressed fault scarps in sediments of the regional San Juan del Oro surface, which is an integral part of the Andean Plateau and adjacent morphotectonic provinces to the east. 
Importantly, sediment properties and depositional ages document that the San Juan del Oro Surface was not part of the internally-drained Andean Plateau, but rather associated with a foreland-directed drainage system, which was modified by the Andean orogeny and that became successively incorporated into the orogen by the eastward-migration of the Andean deformation front during late Miocene – Pliocene time. Structural and geomorphic observations within the plateau indicate that extensional processes must have been repeatedly active between the late Miocene and Holocene supporting the notion of plateau-wide extensional processes, potentially associated with Mw ~ 7 earthquakes. The close relationship between extensional joints and fault orientations underscores that 3 was oriented horizontally in NW-SE direction and 1 was vertical. This unambiguously documents that the observed deformation is related to gravitational forces that drive the orogenic collapse of the plateau. Applied geochronological analyses suggest that normal faulting in the northern Puna was active at about 3 Ma, based on paired cosmogenic nuclide dating of sediment fill units. Possibly due to regional normal faulting the drainage system within the plateau was modified, promoting fluvial incision.
N2  - Gebirge beeinflussen grundlegend die physikalischen und chemischen Prozesse, die die Oberfläche der Erde formen. Mit Höhen von bis zu mehreren Tausend Metern können sie als topografische Barrieren fungieren, die mit atmosphärischen Zirkulationen und hydrologischen Systemen wechselwirken, klimatische Enklaven schaffen und dadurch die Verbreitung von Flora und Fauna einschränken. Infolgedessen sind die inneren Teile vieler känozoischer Gebirge durch geschlossene Beckenstrukturen gekennzeichnet, die einzigartige, von den niedriger gelegenen Bereichen des Vorlands isolierte Ökosysteme beherbergen. Diese durch niedriges Relief geprägte orographische Sektoren werden als Plateaus bezeichnet - das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen geologischer, hydrologischer und atmosphärischer Prozesse. Das Fortbestehen solcher orogenen Plateaus ist daher an das Gleichgewicht zwischen den konstruktiven und destruktiven Prozessen, tektonischer Hebung und Erosion gebunden. Aus geologischen Studien geht hervor, dass Gebirgszüge fragile Systeme sind, die durch ein Ungleichgewicht dieser zugrunde liegenden Kräfte kollabieren können. Daher erscheint es unumgänglich, dass moderne Gebirge auf geologischen Zeitskalen nicht überdauern werden und voraussichtlich dem Zahn der Zeit zum Opfer fallen. Viele Studien haben sich bereits mit der Aufgabe befasst, den momentanen Zustand känozoischer Gebirge zu erforschen, um zu entschlüsseln, ob sie bereits in eine Einebnungsphase übergegangen sind. Eine solche Einebnung kann auf zwei oberflächliche Anzeichen zurückgeführt werden: i) die fortschreitende Erosion durch Flusssysteme und ii) das Vorhandensein von Extensionsstrukturen, die sich entgegen des kompressiven Spannungsfelds durch Gravitationskräfte formen. Solche Strukturen wurden bereits im Inneren des tibetischen Plateaus des zentralasiatischen Himalaya beschrieben, während eine plateauweite Einschneidung durch Flusssysteme die intern entwässerten Gebiete der hoch gelegenen Sektoren des iranischen Plateaus beobachtet wurde.
Im Falle der südamerikanischen Anden und ihres intern entwässerten Altiplano-Puna-Plateaus wurden bereits Anzeichen beider Prozesse beschrieben. Im Szenario des orogenen Kollapses wurden Dehnungsstrukturen jedoch hauptsächlich an den nördlichen und südlichen Grenzen des Plateaus untersucht; in einigen Fällen wurden diese tektonischen Verwerfungen als inaktiv kategorisiert. Nach einem flachen Erdbeben im Jahr 2020 in der Ostkordillere Argentiniens, das mit solch einer Dehnungsstruktur in Verbindung gebracht wurde, weckte die Frage nach dem Zustand des aktiven Spannungsfeldes und der damit einhergehenden Deformation in den zentralen Teilen der Anden wieder neues Interesse. Die Analyse solcher Strukturen und die daraus resultierenden Erkenntnisse, würden helfen die quartäre Deformation in den hoch gelegenen Gebieten der Anden zu erklären.
Diese Dissertation befasst sich daher mit (1) der Frage des tektonisch-orogenen Zusammenbruchs der Anden und der Einschneidung in die Plateaumorphologie, indem die Auffüllungs- und Erosionsgeschichte des zentralen östlichen Andenplateaus anhand von sedimentologischen und geochronologischen Daten untersucht wird, und (2) mit der Kinematik, dem zeitlichen Ablauf und dem Ausmaß von Dehnungsdeformation, die ausgeprägte Geländestufen in den sölig gelagerten Sedimenten der regionalen San Juan del Oro-Oberfläche formte, die wiederum ein integraler Bestandteil des Andenplateaus und der angrenzenden morphotektonischen Provinzen im Osten ist.
Die Eigenschaften der beschriebenen Sedimente sowie deren Ablagerungsalter belegen, dass die San Juan del Oro-Oberfläche nicht Teil des intern entwässerten Andenplateaus ist, sondern vielmehr mit einem vorgelagerten Entwässerungssystem verbunden ist, das durch die Anden-Orogenese und die Ostwärtsbewegung der Deformationsfront im späten Miozän bis Pliozän sukzessive in das Orogen integriert wurde. Strukturelle und geomorphologische Beobachtungen innerhalb des Plateaus deuten darauf hin, dass eine tektonische Abschiebungen zwischen dem späten Miozän und dem Holozän wiederholt aktiv gewesen sein müssen, und möglicherweise mit Erdbeben der Stärke Mw ~ 7 in Verbindung standen. Die geometrische Beziehung zwischen Dehnungsklüften und dem Streichen der beobachteten Verwerfungen deutet darauf hin, dass die geringste Normalspannung (σ3) horizontal in NW-SE-Richtung und die maximale Normalspannung (σ1) vertikal orientiert war. Dies ist ein eindeutiger Beleg dafür, dass die beobachtete Deformation mit Gravitationskräften zusammenhängt, die den orogenen Kollaps des Plateaus vorantreiben. Geochronologische Daten deuten darauf hin, dass die Abschiebungen in der nördlichen Puna vor ca. 3 Ma aktiv waren. Möglicherweise wurde dadurch auch das Entwässerungssystem innerhalb des Plateaus beeinflusst, was eine fluviale Einschneidung begünstigte und den Zerfall des Plateaus vorantreibt.
KW  - Andes
KW  - plateau
KW  - extension
KW  - tectonics
KW  - normal faulting
KW  - geodynamics
KW  - geology
KW  - Anden
KW  - Dehnungsdeformation
KW  - Geodynamik
KW  - Geologie
KW  - Verwerfungen
KW  - Hochplateau
KW  - Tektonik
KW  - surface exposure dating
KW  - uranium-lead-dating
KW  - Remote sensing
KW  - paleoseismology
KW  - Oberflächenexpositionsdatierung
KW  - Uran-Blei-Datierung
KW  - Fernerkundung
KW  - Paleoseismologie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617593
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Heckenbach, Esther Lina
A1  - Brune, Sascha
A1  - Glerum, Anne C.
A1  - Bott, Judith
T1  - Is there a speed limit for the thermal steady-state assumption in continental rifts?
JF  - Geochemistry, geophysics, geosystems : G 3 ; an electronic journal of the earth sciences
N2  - The lithosphere is often assumed to reside in a thermal steady-state when quantitatively describing the temperature distribution in continental interiors and sedimentary basins, but also at active plate boundaries. Here, we investigate the applicability limit of this assumption at slowly deforming continental rifts. To this aim, we assess the tectonic thermal imprint in numerical experiments that cover a range of realistic rift configurations. For each model scenario, the deviation from thermal equilibrium is evaluated. This is done by comparing the transient temperature field of every model to a corresponding steady-state model with an identical structural configuration. We find that the validity of the thermal steady-state assumption strongly depends on rift type, divergence velocity, sampling location, and depth within the rift. Maximum differences between transient and steady-state models occur in narrow rifts, at the rift sides, and if the extension rate exceeds 0.5-2 mm/a. Wide rifts, however, reside close to thermal steady-state even for high extension velocities. The transient imprint of rifting appears to be overall negligible for shallow isotherms with a temperature less than 100 degrees C. Contrarily, a steady-state treatment of deep crustal isotherms leads to an underestimation of crustal temperatures, especially for narrow rift settings. Thus, not only relatively fast rifts like the Gulf of Corinth, Red Sea, and Main Ethiopian Rift, but even slow rifts like the Kenya Rift, Rhine Graben, and Rio Grande Rift must be expected to feature a pronounced transient component in the temperature field and to therefore violate the thermal steady-state assumption for deeper crustal isotherms.
KW  - basin analysis
KW  - geodynamics
KW  - numerical modeling
KW  - rifting
KW  - thermal
KW  - modeling
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.1029/2020GC009577
SN  - 1525-2027
VL  - 22
IS  - 3
PB  - Wiley
CY  - Hoboken, NJ
ER  - 
TY  - THES
A1  - Neuharth, Derek
T1  - Evolution of divergent and strike-slip boundaries in response to surface processes
T1  - Die Entwicklung divergenter und transversaler Plattengrenzen unter dem Einfluss von Erdoberflächenprozessen
N2  - Plate tectonics describes the movement of rigid plates at the surface of the Earth as well as their complex deformation at three types of plate boundaries: 1) divergent boundaries such as rift zones and mid-ocean ridges, 2) strike-slip boundaries where plates grind past each other, such as the San Andreas Fault, and 3) convergent boundaries that form large mountain ranges like the Andes. The generally narrow deformation zones that bound the plates exhibit complex strain patterns that evolve through time. During this evolution, plate boundary deformation is driven by tectonic forces arising from Earth’s deep interior and from within the lithosphere, but also by surface processes, which erode topographic highs and deposit the resulting sediment into regions of low elevation. Through the combination of these factors, the surface of the Earth evolves in a highly dynamic way with several feedback mechanisms. At divergent boundaries, for example, tensional stresses thin the lithosphere, forcing uplift and subsequent erosion of rift flanks, which creates a sediment source. Meanwhile, the rift center subsides and becomes a topographic low where sediments accumulate. This mass transfer from foot- to hanging wall plays an important role during rifting, as it prolongs the activity of individual normal faults. When rifting continues, continents are eventually split apart, exhuming Earth’s mantle and creating new oceanic crust. Because of the complex interplay between deep tectonic forces that shape plate boundaries and mass redistribution at the Earth’s surface, it is vital to understand feedbacks between the two domains and how they shape our planet.
In this study I aim to provide insight on two primary questions: 1) How do divergent and strike-slip plate boundaries evolve? 2) How is this evolution, on a large temporal scale and a smaller structural scale, affected by the alteration of the surface through erosion and deposition? This is done in three chapters that examine the evolution of divergent and strike-slip plate boundaries using numerical models. Chapter 2 takes a detailed look at the evolution of rift systems using two-dimensional models. Specifically, I extract faults from a range of rift models and correlate them through time to examine how fault networks evolve in space and time. By implementing a two-way coupling between the geodynamic code ASPECT and landscape evolution code FastScape, I investigate how the fault network and rift evolution are influenced by the system’s erosional efficiency, which represents many factors like lithology or climate. In Chapter 3, I examine rift evolution from a three-dimensional perspective. In this chapter I study linkage modes for offset rifts to determine when fast-rotating plate-boundary structures known as continental microplates form. Chapter 4 uses the two-way numerical coupling between tectonics and landscape evolution to investigate how a strike-slip boundary responds to large sediment loads, and whether this is sufficient to form an entirely new type of flexural strike-slip basin.
N2  - Plattentektonik beschreibt die Bewegung starrer tektonischer Platten an der Erdoberfläche sowie deren komplexe Deformation an drei Arten von Plattengrenzen: 1) divergenten Grenzen wie Grabenbrüchen und mittelozeanische Rücken, 2) transversalen Grenzen, an denen Platten gegeneinander verschoben werden, wie die San-Andreas-Verwerfung, und 3) konvergenten Grenzen, die große Gebirgszüge wie die Anden bilden. Diese schmalen Deformationszonen, die Platten begrenzen, weisen meist komplexe Dehnungsmuster auf, die sich im Laufe der Zeit entwickeln. Während dieser Entwicklung wird die Verformung der Plattengrenzen durch tektonische Kräfte aus dem tiefen Erdinneren und der Lithosphäre, aber auch durch Oberflächenprozesse, welche topografische Erhebungen erodieren und die daraus resultierenden Sedimente in tiefer gelegenen Gebieten ablagern, angetrieben. Durch das Zusammenwirken und die Rückkopplung dieser Faktoren entwickelt sich die Erdoberfläche in einer extrem dynamischen Art und Weise. An divergenten Grenzen beispielsweise dünnen Zugspannungen die Lithosphäre aus, was zu einer Hebung und anschließenden Erosion der Flanken eines Grabenbruchs führt, wobei wiederum Sedimente freigesetzt werden. Währenddessen sinkt das Zentrum des Grabens ab und wird zu einer topografischen Senke, in der sich Sedimente ablagern. Diese Massenumverteilung vom Fuß zum Hang einer Verwerfung spielt eine wichtige Rolle, da er die Aktivität einzelner Verwerfungen verlängert. Durch anhaltende Divergenz werden Kontinente schließlich auseinandergerissen, wodurch der Erdmantel an die Erdoberfläche gefördert und neue ozeanische Kruste gebildet wird. Aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen tektonischen Kräften aus dem tiefen Erdinneren und der Massenumverteilung an der Erdoberfläche ist es von entscheidender Bedeutung, die Rückkopplungen zwischen diesen beiden Bereichen zu verstehen.
In dieser Studie möchte ich Einblicke zu zwei Hauptfragen geben: 1) Wie entwickeln sich divergierende Plattengrenzen? 2) Wie wird diese Entwicklung auf einer großen zeitlichen und einer kleinen strukturellen Skala durch die Veränderung der Oberfläche durch Erosion und Sedimentation beeinflusst? In drei Kapiteln untersuche ich die Entwicklung von divergenten und streichenden Plattengrenzen anhand numerischer Modelle. In Kapitel 2 wird die Entwicklung von Grabenbrüchen anhand zweidimensionaler Modelle im Detail erforscht. Dabei extrahiere ich Verwerfungen aus einer Reihe von Modellen und korreliere sie über die Zeit, um zu untersuchen, wie sich Verwerfungsnetzwerke räumlich und zeitlich entwickeln. Durch die bidirektionale Kopplung des Geodynamik-Codes ASPECT und des Erdoberflächen-Codes FastScape untersuche ich, wie diese Verwerfungsnetzwerk und der Grabenbruch im Allgemeinen durch die Erosionseffizienz des Systems, welche viele Faktoren wie Lithologie oder Klima abbildet, beeinflusst werden. In Kapitel 3 untersuche ich die Entwicklung eines Grabenbruchs aus einer dreidimensionalen Perspektive. In diesem Kapitel analysiere ich wie sich gegeneinander versetzte Grabenbrüche verbinden und wann sich dabei schnell rotierende kontinentale Mikroplatten bilden. In Kapitel 4 nutze ich die entwickelte bidirektionale Kopplung zwischen Geodynamik und Erdoberflächenprozessen, um zu verstehen, wie transversale Plattengrenzen auf Sedimentlasten reagieren und ob die ausreicht, um einen völlig neue Art von Sedimentbecken in dieser Umgebung zu formen.
KW  - geodynamics
KW  - numerical modelling
KW  - rift
KW  - strike-slip
KW  - surface processes
KW  - microplate
KW  - FastScape
KW  - ASPECT
KW  - ASPECT
KW  - FastScape
KW  - Geodynamik
KW  - Mikroplatte
KW  - numerische Modellierung
KW  - Rift
KW  - Blattverschiebung
KW  - Oberflächenprozesse
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549403
ER  - 
TY  - THES
A1  - Liu, Sibiao
T1  - Controls of foreland-deformation patterns in the orogen-foreland shortening system
N2  - The Andean Plateau (Altiplano-Puna Plateau) of the southern Central Andes is the second-highest orogenic plateau on our planet after Tibet. The Andean Plateau and its foreland exhibit a pronounced segmentation from north to south regarding the style and magnitude of deformation. In the Altiplano (northern segment), more than 300 km of tectonic shortening has been recorded, which started during the Eocene. A well-developed thin-skinned thrust wedge located at the eastern flank of the plateau (Subandes) indicates a simple-shear shortening mode. In contrast, the Puna (southern segment) records approximately half of the shortening of the Altiplano - and the shortening started later. The tectonic style in the Puna foreland switches to a thick-skinned mode, which is related to pure-shear shortening. In this study, carried out in the framework of the StRATEGy project, high-resolution 2D thermomechanical models were developed to systematically investigate controls of deformation patterns in the orogen-foreland pair. The 2D and 3D models were subsequently applied to study the evolution of foreland deformation and surface topography in the Altiplano-Puna Plateau. The models demonstrate that three principal factors control the foreland-deformation patterns: (i) strength differences in the upper lithosphere between the orogen and its foreland, rather than a strength difference in the entire lithosphere; (ii) gravitational potential energy of the orogen (GPE) controlled by crustal and lithospheric thicknesses, and (iii) the strength and thickness of foreland-basin sediments. The high-resolution 2D models are constrained by observations and successfully reproduce deformation structures and surface topography of different segments of the Altiplano-Puna plateau and its foreland. The developed 3D models confirm these results and suggest that a relatively high shortening rate in the Altiplano foreland (Subandean foreland fold-and-thrust belt) is due to simple-shear shortening facilitated by thick and mechanically weak sediments, a process which requires a much lower driving force than the pure-shear shortening deformation mode in the adjacent broken foreland of the Puna, where these thick sedimentary basin fills are absent. Lower shortening rate in the Puna foreland is likely accommodated in the forearc by the slab retreat.
N2  - Das Andenplateau (Altiplano-Puna-Plateau) in den südlichen Zentralanden ist nach Tibet das zweithöchste orogene Plateau auf unserem Planeten. Dieses Plateau und sein Vorland weisen eine ausgeprägte Segmentierung von Nord nach Süd hinsichtlich Art und Ausmaß der Verformung auf. Im Altiplano (nördliches Segment) wird seit der im Eozän stattfindenden Deformation mehr als 300 km tektonische Verkürzung dokumentiert. Ein gut entwickelter sedimentärer Schubkeil bzw. Vorland-Überschiebungsgürtel (Subandin) an der Ostflanke des Plateaus (thin-skinned foreland deformation) deutet in dieser Region des Vorlandes auf Prozesse einfacher Scherung hin (simple-shear modus). Im Gegensatz dazu weist die Puna (südliches Plateausegment) ungefähr die Hälfte der Verkürzung des Altiplano auf - und die Verkürzung begann später. Außerdem geht der tektonische Stil im Puna-Vorland zu einem zerbrochenen Vorland mit Kristallinblöcken (thick-skinned foreland) über, der mit der Verkürzung durch reine Scherung (pure-shear modus) erklärt werden kann. In dieser Studie, die im Rahmen des StRATEGy-Projekts durchgeführt wurde, wurden hochauflösende thermomechanische 2D-Modelle entwickelt, um systematisch die Kontrolle von Verformungsmustern im Orogen-Vorland-Paar zu untersuchen. Die 2D- und 3D-Modelle wurden anschließend angewendet, um die Entwicklung der Vorlanddeformation und der Oberflächentopographie im Altiplano-Puna-Plateau zu verstehen. Die Modelle zeigen, dass drei Hauptfaktoren die Deformationsmuster des Vorlandes steuern: (i) Festigkeitsunterschiede in der oberen Lithosphäre zwischen dem Orogen und seinem Vorland - und nicht Festigkeitsunterschiede in der gesamten Lithosphäre; (ii) die gravitationsbezogene potentielle Energie des Orogens (GPE), die durch die Krusten- und Lithosphärenmächtigkeit gesteuert wird und (iii) die Festigkeit sowie Mächtigkeiten der Vorlandbeckensedimente. Die hochauflösenden 2D-Modelle sind auf tatsächliche Daten aus Beobachtungen beschränkt und reproduzieren erfolgreich Deformationsstrukturen sowie die topographischen Verhältnisse der verschiedenen Segmente des Altiplano-Puna-Plateaus und seines Vorlandes. Die entwickelten 3D-Modelle bestätigen diese Ergebnisse und legen nahe, dass die relativ hohe Verkürzungsrate im Altiplano-Vorland (Subandin) bei den vorhandenen mächtigen Sedimentabfolgen geringer mechanischer Festigkeit weniger Kraftaufwand erfordert als die Deformation des Puna-Vorlandes, wo diese Sedimente weitgehend fehlen. Die geringeren Verkürzungsbeträge im Puna-Vorland werden wahrscheinlich durch das Zurückweichen der Subduktionszone im Forearc-Bereich ausgeglichen.
KW  - geodynamics
KW  - numerical modeling
KW  - Central Andes
KW  - foreland deformation
KW  - geophysics
KW  - Geodynamik
KW  - numerische Modellierung
KW  - Zentralanden
KW  - Vorlanddeformation
KW  - Geophysik
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445730
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brune, Sascha
T1  - Modelling continental rift dynamics
T1  - Modellierung kontinentaler Riftdynamik
N2  - Continental rift systems open up unique possibilities to study the geodynamic system of our planet: geodynamic localization processes are imprinted in the morphology of the rift by governing the time-dependent activity of faults, the topographic evolution of the rift or by controlling whether a rift is symmetric or asymmetric. Since lithospheric necking localizes strain towards the rift centre, deformation structures of previous rift phases are often well preserved and passive margins, the end product of continental rifting, retain key information about the tectonic history from rift inception to continental rupture.

Current understanding of continental rift evolution is based on combining observations from active rifts with data collected at rifted margins. Connecting these isolated data sets is often accomplished in a conceptual way and leaves room for subjective interpretation. Geodynamic forward models, however, have the potential to link individual data sets in a quantitative manner, using additional constraints from rock mechanics and rheology, which allows to transcend previous conceptual models of rift evolution. By quantifying geodynamic processes within continental rifts, numerical modelling allows key insight to tectonic processes that operate also in other plate boundary settings, such as mid ocean ridges, collisional mountain chains or subduction zones. 

In this thesis, I combine numerical, plate-tectonic, analytical, and analogue modelling approaches, whereas numerical thermomechanical modelling constitutes the primary tool. This method advanced rapidly during the last two decades owing to dedicated software development and the availability of massively parallel computer facilities. Nevertheless, only recently the geodynamical modelling community was able to capture 3D lithospheric-scale rift dynamics from onset of extension to final continental rupture. 

The first chapter of this thesis provides a broad introduction to continental rifting, a summary of the applied rift modelling methods and a short overview of previews studies. The following chapters, which constitute the main part of this thesis feature studies on plate boundary dynamics in two and three dimension followed by global scale analyses (Fig. 1).

Chapter II focuses on 2D geodynamic modelling of rifted margin formation. It highlights the formation of wide areas of hyperextended crustal slivers via rift migration as a key process that affected many rifted margins worldwide. This chapter also contains a study of rift velocity evolution, showing that rift strength loss and extension velocity are linked through a dynamic feed-back. This process results in abrupt accelerations of the involved plates during rifting illustrating for the first time that rift dynamics plays a role in changing global-scale plate motions. Since rift velocity affects key processes like faulting, melting and lower crustal flow, this study also implies that the slow-fast velocity evolution should be imprinted in rifted margin structures.

Chapter III relies on 3D Cartesian rift models in order to investigate various aspects of rift obliquity. Oblique rifting occurs if the extension direction is not orthogonal to the rift trend. Using 3D lithospheric-scale models from rift initialisation to breakup I could isolate a characteristic evolution of dominant fault orientations. Further work in Chapter III addresses the impact of rift obliquity on the strength of the rift system. We illustrate that oblique rifting is mechanically preferred over orthogonal rifting, because the brittle yielding requires a lower tectonic force. This mechanism elucidates rift competition during South Atlantic rifting, where the more oblique Equatorial Atlantic Rift proceeded to breakup while the simultaneously active but less oblique West African rift system became a failed rift. Finally this Chapter also investigates the impact of a previous rift phase on current tectonic activity in the linkage area of the Kenyan with Ethiopian rift. We show that the along strike changes in rift style are not caused by changes in crustal rheology. Instead the rift linkage pattern in this area can be explained when accounting for the thinned crust and lithosphere of a Mesozoic rift event. 

Chapter IV investigates rifting from the global perspective. A first study extends the oblique rift topic of the previous chapter to global scale by investigating the frequency of oblique rifting during the last 230 million years. We find that approximately 70% of all ocean-forming rift segments involved an oblique component of extension where obliquities exceed 20°. This highlights the relevance of 3D approaches in modelling, surveying, and interpretation of many rifted margins. In a final study, we propose a link between continental rift activity, diffuse CO2 degassing and Mesozoic/Cenozoic climate changes. We used recent CO2 flux measurements in continental rifts to estimate worldwide rift-related CO2 release, which we based on the global extent of rifts through time. The first-order correlation to paleo-atmospheric CO2 proxy data suggests that rifts constitute a major element of the global carbon cycle.
N2  - Kontinentale Grabensysteme eröffnen einzigartige Einsichten in das geodynamische System unseres Planeten: Geodynamische Lokalisierungs-prozesse prägen die Morphologie von Riftsystemen, indem sie die zeitabhängige Aktivität von Störungen, die topographische Entwicklung des Rifts oder dessen Symmetrieentwicklung kontrollieren. Da die Verformung oft in Richtung des Riftzentrums lokalisiert, sind die Deformationsstrukturen früherer Riftphasen meist gut erhalten und passive Ränder, die Endprodukte kontinentalen Riftings, beinhalten wichtige Informationen über die tektonische Geschichte vom Riftbeginn bis zum kontinentalen Zerbrechen.

Unser gegenwärtiges Verständnis der Riftentwicklung basiert auf der Kombination von Beobachtungen in aktiven Rifts mit Informationen, die an passiven Kontinental-rändern gesammelt wurden. Die Einbindung dieser isolierten Datensätze erfolgt oft konzeptionell und lässt Raum für subjektive Interpretationen. Geodynamische Vorwärtsmodelle haben jedoch das Potenzial, einzelne Datensätze quantitativ zu verknüpfen, wobei zusätzliche Informationen aus der Gesteinsmechanik und Rheologie verwendet werden, die es ermöglichen, frühere konzeptionelle Riftmodelle weiter zu entwickeln. 

In dieser Arbeit kombiniere ich numerische, plattentektonische, analytische und analoge Modellierungsansätze, wobei die numerische thermomechanische Modellierung das primäre Werkzeug darstellt. Diese Methode hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund dedizierter Softwareentwicklung und der Verfügbarkeit von massiv parallelisierten Supercomputern sehr schnell entwickelt. Dennoch gelang es der geodynamischen Modellierungsgemeinschaft erst vor kurzem, die dreidimensionale lithosphärenskalige Riftentwicklung vom Beginn der Dehnung bis zum endgültigen Zerbrechen eines Kontinents zu erfassen.

Meine Habilitationsschrift beinhaltet eine Einführung in kontinentale Rifttektonik, eine Zusammenfassung der angewendeten Modellierungsmethoden und einen kurzen Überblick über Vorstudien. In dem Hauptteil dieser Arbeit werden Untersuchungen auf Plattenrandskala in zwei und drei Dimensionen durchgeführt, gefolgt von globalen Analysen der Riftentwicklung. Dabei beschreibe ich die Bildung extrem ausgedehnter kontinentaler Kruste, die an vielen gerifteten Kontinentalrändern beobachtet wurde, die Rückkopplung zwischen Riftdynamik und Plattenbewegungen, der Wirkung von Riftschrägheit und tektonischer Vererbung auf die Riftarchitektur sowie den Einfluss von Riftsystemen auf CO2-Entgasung in Bezug auf die paläoklimatische Entwicklung der Erde seit dem Zerbrechen Pangäas.
KW  - rifting
KW  - modelling
KW  - plate tectonics
KW  - geodynamics
KW  - Grabenbruch
KW  - Modellierung
KW  - Plattentektonik
KW  - Geodynamik
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432364
ER  -