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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-73072
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7307/


A seismic reflection study of salt tectonics and incipient continent-continent-collision in the easternmost Mediterranean Sea

Reflexionsseismische Untersuchungen von Salztektonik und einsetzender Kontinent-Kontinent-Kollision im östlichen Teil des Mittelmeers

Reiche, Sönke

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SWD-Schlagwörter: Seismik , Mittelmeer , Plattentektonik , Salztektonik
Basisklassifikation: 38.70 , 38.36 , 38.72 , 38.48
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hübscher, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.04.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 04.05.2015
Kurzfassung auf Deutsch: Das Forschungsgebiet der vorliegenden Arbeit befindet sich im östlichen Mittelmeer und umfasst neben dem Levante Becken auch die Kollisionszone zwischen Zypern und dem Eratosthenes Seeberg. Im Zuge der Messinischen Salinitätskrise (ca. 5.96-5.33 myr) wurden dort zunächst etwa 1.5 km mächtige Evaporite und nachfolgend pliozäne-quartäre hemipelagische Sedimente abgelagert. Während diese Sedimente entlang der Zypern-Eratosthenes Seeberg Kollisionszone tektonisch überprägt wurden, dominierten salztektonische Prozesse die strukturelle Entwicklung der pliozänen-quartären Schichten in Richtung Zentrum des Levante Beckens. Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung der Einflüsse salz- und plattentektonischer Prozesse auf die messinische und post-messinische Sedimentdecke. In diesem Zusammenhang konnten auf der Grundlage eines umfangreichen Datensatzes reflexionsseismischer Profile und bathymetrischer Daten sowohl Rückschlüsse auf die tektonische Entwicklung des Untersuchungsgebietes als auch neue Einblicke in salztektonische Deformationsprozesse gewonnen werden.
Lange wurde das Einsetzen von Salzbewegungen im Untergrund anhand einer Dichteinversion zwischen Salz und Suprasalzsedimenten erklärt. Neuere Erklärungsansätze gehen davon aus, dass einsetzende Salzdeformation eher durch differentielle Suprasalz-Sedimentauflast oder durch eine Verkippung von Subsalzschichten bedingt ist: Zwei Mechanismen, welche von bisherigen Studien vorrangig zur Erklärung beobachteter Salzdeformation im Levante Becken herangezogen wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Salzdeformation im Levante Becken zusätzlich durch Deformationsprozesse im Subsalzbereich bedingt ist. Das lässt sich anhand der tiefenmigrierten industrieseismischen Profilen der vorliegenden Arbeit zeigen, welche die interne Geometrie des messinischen Salzkörpers hervorragend abbilden. So kann ein räumlicher Zusammenhang zwischen Subsalzstörungen und dem Auftreten von Falten und Störungen innerhalb des Salzkörpers beobachtet werden. Daran zeigt sich, dass die Entstehung der salzinternen Strukturen in besonderem Ausmaß durch Deformationsprozesse im Subsalzbereich bedingt ist. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wird in der vorliegenden Arbeit ein neues Modell zur Beschreibung der beckenweiten räumlichen und zeitlichen Variabilität salztektonischer Deformationsmechanismen gezeigt. Während synsedimentäre, durch Störungen im Subsalzbereich bedingte Salzdeformation den nördlichen Teil des Levante Beckens charakterisiert, wurde Salz im südlichen Teil des Beckens primär postsedimentär und gravitativ verformt. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse geben somit einen umfassenden Überblick zu bereits bekannten und neubeschriebenen salztektonischen Deformationsprozessen im Levante Becken. Darüber hinaus tragen sie zum besseren Verständnis von komplexen Salzstrukturen außerhalb des Untersuchungsgebietes bei.
Das Gebiet zwischen Zypern und dem Eratosthenes Seeberg bietet die Möglichkeit, salztektonische Prozesse in einer aktiven Kollisions- und Subduktionszone zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen einen tektonisch verdickten, autochthonen Salzkörper im östlichen Bereich des Untersuchungsgebietes sowie akkretierte Sub- und Suprasalzsedimente nahe der Plattengrenze. Im Gegensatz dazu hat sich im westlichen Bereich ein allochthoner Salzkörper ausgebildet. Unter Mitnahme einer intakten Suprasalz-Sedimentschicht hat sich dieser allochthone Salzkörper über pliozäne-quartäre Ablagerungen hinwegbewegt und wurde damit samt Suprasalzsedimenten dem Akkretions- und Subduktionszyklus entzogen. Diese Beobachtungen zeigen neben grundlegenden Erkenntnissen zum Verhalten von Salz in einer aktiven Kollisionszone auch eine stärkere tektonische Verkürzung des westlichen Untersuchungsgebietes und deuten damit auf eine primär nord-nordwestlich orientierte post-messinische Konvergenzrichtung zwischen der Afrikanischen und Anatolischen Platte hin. Anders als bisher postuliert, lässt sich vor diesem Hintergrund ein späteres Einsetzen der heutigen nordostwärts gerichteten Konvergenzrichtung annehmen, vermutlich um den Zeitpunkt der Plio-/Pleistozän-Grenze.
Eine entsprechende post-messinische Reorganisation der plattentektonischen Bewegungsrichtung lässt sich auch aufgrund von Beobachtungen im Gebiet des Hecataeus Rückens – einer plateauförmigen bathymetrischen Erhebung südlich von Zypern – vermuten. Es handelt sich dabei um eine wenig erforschte Struktur, welcher durch ihre Nähe zur Zypern-Eratosthenes Kollisionszone eine Schlüsselrolle zum besseren Verständnis der regionalen tektonischen Entwicklung zukommt. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen eine markante Winkeldiskordanz innerhalb der pliozänen-quartären Sedimentschicht im nordwestlichen Plateaubereich, deren Entstehung zeitlich mit einem Ablagerungswechsel von flachlagernden zu wellenförmig abgelagerten Sedimenten korreliert. Zusätzlich lässt sich ein zeitlicher Zusammenhang zwischen der Entstehung der Winkeldiskordanz und dem Einsetzen hangabwärtsgerichteter Sedimentation entlang einer submarinen Canyonstruktur direkt südlich von Zypern feststellen. Diese Ablagerungsgeometrie kann durch einsetzende Kontinent-Kontinent-Kollision zwischen Zypern und dem Eratosthenes Seeberg um die Plio-/Pleistozän-Grenze und einer daraus entstandenen Hebung Zyperns erklärt werden: Eine differentielle Anhebung zwischen Zypern und dem Hecataeus Rücken führte zur Ausbildung einer Winkeldiskordanz und verursachte einen Wechsel zu einem vermehrt hangabwärtsgerichteten Ablagerungsmilieu. Diese Interpretation ist konsistent mit Beobachtungen im Gebiet der Zypern-Eratosthenes Kollisionszone und schließt entscheidende Lücken im Puzzle zur tektonischen Entwicklung des östlichen Mittelmeers.
Kurzfassung auf Englisch: The study area of the present thesis is located in the easternmost Mediterranean Sea and extends from the Levant Basin into the collision zone between Cyprus and Eratosthenes Seamount. The post-Messinian sedimentary succession within the study area is composed of averagely 1.5 km thick Messinian evaporites which were precipitated during the Messinian Salinity Crisis (approximately 5.96-5.33 Ma) and subsequently overlain by Pliocene-Quaternary hemipelagic deposits. While these deposits are structurally affected by African-Anatolian convergence near the plate boundary, sediment deformation is largely driven by salt tectonics towards the basin center. In this study, the structural imprint of salt tectonics and plate tectonic convergence on Messinian and post-Messinian strata is investigated by means of a comprehensive set of reflection seismic profiles and multibeam bathymetric data. Conclusions are drawn on the tectonic evolution of the Cyprus-Eratosthenes collision zone and new mechanisms driving salt deformation in the Levant Basin are shown.
The onset of subsurface salt deformation was long explained by density inversion between salt and supra-salt deposits. However, newly developed salt tectonic concepts have shown that incipient salt deformation is rather driven by differential supra-salt sediment loading or inclination of sub-salt strata. These two mechanisms were primarily considered in previous studies for explaining salt deformation in the Levant Basin. However, results of this study suggest that Messinian evaporites in the Levant Basin have also deformed in response to sub-salt faulting. Depth-migrated industry seismic lines are shown which image the internal geometry of the Messinian evaporite layer particularly well. Sub-salt faults are observed to spatially coincide with the presence of intra-evaporite faults and folds, suggesting a relation between sub-salt faulting and internal evaporite deformation. Together with previously considered salt tectonic processes, this newly described fault-controlled deformation mechanism is incorporated into a new model of the geographic and temporal variability of evaporite deformation mechanisms in the Levant Basin. While syn-depositional fault-controlled evaporite deformation dominates within the northern part of the Levant Basin, post-depositional evaporite deformation is mainly driven by gravity further south. Results of this study thus provide a comprehensive overview of salt tectonic deformation mechanisms in the Levant Basin which may also contribute to a better understanding of the development of complex salt structures outside the study area.
The area between Cyprus and Eratosthenes Seamount provides the unique opportunity to investigate the behavior of salt within an active collision and subduction setting. Results show that the collision zone may be subdivided into an eastern and a western domain. While plate convergence drives inflation of autochthonous salt and accretion of sub- and supra-salt sediments in the eastern part of the convergence zone, a stage of allochthonous salt tectonics is reached further west. There, Messinian evaporites have evidently begun to advance across Pliocene-Quaternary strata, carrying an intact roof of supra-salt sediments along. Messinian evaporites and supra-salt deposits have thus efficiently escaped subduction and accretion, bearing important implications for the general understanding of the behavior of salt within an active collision zone. The apparent difference in the magnitude of salt tectonic shortening between the eastern and western domain of the Cyprus-Eratosthenes collision zone suggests a mainly north- to northwestward oriented post-Messinian plate convergence direction, implying a later, possibly Late Pliocene-Early Pleistocene, change to the present northeastward directed convergence regime than previously thought.
A post-Messinian plate tectonic re-organization is also inferred from observations across the Hecataeus Rise – a plateau-like feature directly south of Cyprus. Owing to its proximity to the Cyprus-Eratosthenes collision zone, this yet underexplored structure represents a key site for understanding the regional tectonic evolution. An intra-Pliocene-Quaternary angular unconformity is identified in the northwestern part of the Hecataeus Rise. The formation of this prominent unconformity is interpreted to temporarily coincide with a change from horizontal to wavy sediment deposition and initial downslope sediment transport along a large submarine canyon at the southern Cyprus slope. The observed depositional and structural changes are related to incipient continent-continent-collision between Cyprus and Eratosthenes Seamount around the Pliocene-Pleistocene transition and subsequent uplift of Cyprus: vertical separation between Cyprus and the Hecataeus Rise led to development of a prominent angular unconformity and caused a change to more energetic, downslope sediment transport. Finally, this interpretation is consistent with observations along the Cyprus-Eratosthenes collision zone and closes yet another gap within the Eastern Mediterranean tectonic puzzle.

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