Exhumation Processes at Orogenic Syntaxes: Insights from the Cascadia Subduction Zone (USA)

Abstract

The topography of mountain ranges or orogens results from the interaction between two opposingly directed processes: (1) rock uplift and (2) denudation. Eventually this leads to exhumation of rocks at the Earth's surface. During the last two decades a large debate arose in the geoscience community, how tectonics and climate impact the uplift, denudation and exhumation of rocks, and whether feedbacks and interactions between tectonic and climatic processes exist during mountain building. The Olympic Mountains, situated at the Cascadia Subduction Zone (CSZ) in the north-western USA, have been introduced as a textbook flux steady-state mountain range, whereby the tectonic/accretionary influx has been balancing the denudational outflux since 14 Ma. By providing new low-temperature thermochronometric ages and results from thermo-kinematic modelling this thesis aims at better understanding the evolution of the Olympic Mountains and of mountain building processes in general. Overall 111 new thermochronometric ages have been obtained. The observed pattern of thermochronometer ages requires a spatially variable pattern of exhumation rates and the highest exhumation rates coincide with the high-elevation, central part of the orogen. This focusing of exhumation is tectonically controlled, because the Olympic Mountains are located in an orogenic syntaxis, where the subducting oceanic plate is bent, causing a lower angle of subduction below the Olympic Mountains. Furthermore, exhumation varies temporally, related either to changes in the tectonic parameters (decrease in plate convergence rate at 6 Ma) or climatic framework (increased glacial erosion due to the onset of Plio-Pleistocene glaciation at 2 - 3 Ma). Because no equivalent increase in rock uplift balances the observed increase in exhumation caused by glacial erosion, a reduction in topography on the western side of the orogen is plausible. An independent calculation of the denudational outflux out of the orogen as well as the accretionary influx into the mountain range indicates that the orogen is in flux steady-state on long timescales (i.e., 14 Myr). However, Plio-Pleistocene glaciation could have elicited perturbations of the flux steady-state on shorter timescales. A comparison of the pattern of exhumation from this thesis with published datasets of denudation and rock uplift corroborates that most permanent deformation is focused in the central part of the orogen. However, the present-day signal from GPS stations in the western part of the Olympic Mountains reflects elastic deformation of the seismic earthquake cycle, because free slip is restricted on the shallow, locked part of the subduction interface of the CSZ. The deeper part of the subduction interface displays a more complex pattern of slip and visco-plastic flow could initiate permanent deformation in the overriding crust. Ultimately that process would produce the elevated topography of the Olympic Mountains. In summary, this thesis reveals a complex and temporally non-steady history of the Olympic Mountains. Both tectonics and climate play an important role in the evolution of the orogen, and in particular Plio-Pleistocene glaciation has a profound effect on the shape of the mountain range. The combination of observations from datasets integrating on both long-term and short-term timescales might also contribute to a better understanding of the seismic hazard of the Cascadia Subduction Zone.

Die Topographie von Gebirgsketten resultiert aus dem Zusammenwirken von zwei entgegen gerichteten Prozessen: (1) Gesteinshebung und (2) Denudation. Letztendlich führt dieser Vorgang zur Exhumierung von Gesteinen an die Erdoberfläche. Während der letzten zwei Jahrzehnte wurde in den Geowissenschaften eine intensive Debatte darüber geführt, wie Tektonik und Klima die Hebung, Denudation und Exhumierung von Gesteinen beeinflussen und ob Rückkopplungen sowie ein Zusammenwirken zwischen tektonischen und klimatischen Prozessen während der Gebirgsbildung existieren. Die an der Kaskaden Subduktionszone in den nordwestlichen USA gelegenen Olympic Mountains wurden als klassisches Beispiel für ein Gebirge eingeführt welches im Fluss Gleichgewicht steht, wobei der tektonische bzw. akkretionäre Zufluss den denudierten Abfluss seit 14 Ma ausgleicht. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist es, zu einem besseren Verständnis der Entwicklung der Olympic Mountains und von Gebirgsbildungsprozessen im Allgemeinen beizutragen. Hierfür werden neue Niedrig-Temperatur Thermochronometer Alter und Ergebnisse von thermo-kinematischen Modellierungen bereitgestellt. Insgesamt konnten 111 neue Thermochronometer Alter bestimmt werden. Um das beobachtete Muster der Thermochronometer Alter zu erklären wird ein räumlich variables Muster der Exhumier- ungsraten benötigt und der Ort der höchsten Exhumierungsraten überlappt mit der höchsten Topographie im Zentrum des Gebirges. Diese Bündelung der Exhumierung ist tektonisch bedingt, da die Olympic Mountains in einer orogenen Syntaxe liegen. Hierbei ist die subduzierte, ozeanische Platte gekrümmt, was zu einem flacheren Subduktionswinkel unter den Olympic Mountains führt. Des weiteren ist die Exhumierung zeitlich variabel, was entweder durch Änderungen in den tektonischen Rahmenbedingungen (eine Abnahme der Platten Konvergenzrate vor 6 Ma) oder klimatischen Rahmenbedingungen (eine Zunahme von glazialer Erosion in Folge des Einsetzens der Plio-Pleistozänen Vereisung vor 2 - 3 Ma) bedingt ist. Da kein entsprechender Anstieg der Gesteinshebung den durch die glaziale Erosion hervorgerufenen Anstieg der Exhumierung ausgleicht, ist eine Verringerung der Topographie auf der westlichen Seite des Gebirges wahrscheinlich. Die unabhängig voneinander berechneten Mengen des denudierten Abflusses aus dem Gebirge heraus sowie des akkretionären Zuflusses in das Gebirge hinein verdeutlichen, dass das Gebirge im Fluss Gleichgewicht steht, zumindest auf lange Zeitskalen (über 14 Myr) hin betrachtet. Allerdings könnte die Plio-Pleistozäne Vereisung eine Störung des Fluss Gleichgewichts auf kürzeren Zeitskalen verursacht haben. Der Vergleich des Exhumierungsmusters dieser Arbeit mit publizierten Datensätzen der Denudation und der Gesteinshebung bestätigt, dass die meiste permanente Verformung in der Mitte des Gebirges konzentriert ist. Das heutige Signal von GPS Stationen auf der Westseite der Olympic Mountains spiegelt jedoch die elastische Deformation im Rahmen des Erdbeben Zyklus wider, da auf dem oberen, verriegelten Teil der Plattengrenze der Kaskaden Subduktionszone keine freie Bewegung möglich ist. Die tieferen Teile der Plattengrenze weisen ein deutlich komplexeres Bewegungsmuster auf und viskos-plastisches Fließen könnte permanente Deformation in der überliegenden Kruste verursachen. Dieser Prozess würde letztendlich die erhöhte Topographie der Olympic Mountains verursachen. Zusammenfassend verdeutlicht diese Doktorarbeit eine komplexe und zeitlich nicht beständige Geschichte der Olympic Mountains. Sowohl Tektonik als auch Klima spielen eine wichtige Rolle während der Entwicklung des Gebirges und insbesondere die Plio-Pleistozäne Vereisung hat einen erheblichen Einfluss auf die Gestalt des Orogens. Die Kombination von Datensätzen, die sowohl über lange als auch über kurze Zeitskalen integrieren, könnte auch zu einem verbesserten Verständnis der Erdbebengefahr der Kaskaden Subduktionszone beitragen.