Thermochronology of the Polish and Ukrainian Carpathians

The Carpathian-Pannonian region’s geodynamic evolution has been for the last decades object of debate for the scientific community. The aim of this study is to provide a further contribution to the understanding of the evolution of this territory. In fact, low temperature thermochronometry and paleotemperature studies allow to define thermal histories, which can be used, in turn, to infer the occurrence of thermal perturbations and of their extent, as well as the timing and spatial pattern of burial and exhumation. Several different processes such as B and A-type subduction, slab roll back, mantle uprise, gravitational collapse of the lithosphere have been proposed to have played a role in the evolution of this region. Reconstruction of thermal and of burial and exhumation history was then used as a tool to support or rule out some of the processes quoted above. Three low temperature thermochronometers were used to date rocks belonging to the Polish and Ukrainian Carpathians, and the results were inverted to model time-temperature histories. Thermal histories were then integrated with observations on the structural and topographic setting of the region and with data regarding the thermal structure of the lithosphere and discussed to extrapolate constrains on burial and exhumation. Finally a compilation of the thermochronometry datasets referred to the study area, integrated with previously published geophysical data were used to discuss their consistency with the different geodynamic processes proposed for the Carpathian Pannonian region. The results indicate that samples of the thrust belt were heated to variable temperatures, generally lower than 165°C and cooled to surface temperature between the Early and the Late Miocene. Since no regional heat flow transients affected the Carpathian thrust belt in Miocene time, its thermal history has to be entirely ascribed to burial and exhumation history. Three sectors, characterized by different burial-exhumation histories and topographic, structural and geophysical features were identified in the study region. Burial depths become more homogeneous E-ward. Exhumation is interpreted to have occurred by erosion of the wedge during thrusting in the western sector (23-10 Ma), by erosion and tectonic denudation during post-thrusting extension in the central sector (10-6 Ma) , and by erosion of the wedge during post thrusting uplift in the eastern sector (12-6 Ma). These exhumation processes appear to be consistent with models for the evolution of the Carpathian-Pannonian region that do not comprise slab-related dynamics, such as that based on gravitational collapse. It also appears burial-exhumation history of the Ukrainian Carpathians reflects the regional dynamics of the Carpathian-Pannonian region, whereas that of the Polish Carpathians mainly depends on crustal processes.RIASSUNTO L’evoluzione geodinamica della regione Carpato-Pannonica è stata, negli ultimi anni, oggetto di dibattito all’interno della comunità scientifica. Scopo di questa tesi è contribuire alla comprensione dei processi che hanno portato alla formazione di tale territorio. L’analisi termo cronometrica di bassa temperatura si campioni di superficie, associata ad analisi che mirino alla ricostruzione delle paleotemperature permette di definire la storia termica dei campioni, che può essere, a sua volta, utilizzata per rilevare eventuali eventi termici del passato e per ricostruire l’evoluzione temporale ed il pattern spaziale di seppellimento ed esumazione nell’area di studio. Diversi processi sono stati proposti come rilevanti nell’evoluzione della regione in esame, quali ad esempio subduzione ti tipo A e di tipo B, roll back e break-off di slab in subduzione, risalita astenosferica, collasso gravitazionale. La ricostruzione della storia termica e di seppellimento ed esumazione sono utilizzati, in questo studio, come vincolo che permetta di supportare od escludere alcuni dei processi elencati sopra. Tre termocronometri di bassa temperatura sono stati utilizzati per datare rocce appartenenti ai Carpazi polacchi ed ucraini; i risultati sono poi stati invertiti per modellare per ciascun campione percorsi tempo-temperatura supportati dai dati. Le storie termiche così ottenute sono poi state integrate con osservazioni sulla assetto strutturale e topografico dell’area in esame e con dati riguardanti la struttura termica della litosfera, e discussi per estrapolare vincoli sulla storia di seppellimento ed esumazione. Infine una raccolta dei dati termocronometrici riferiti all’area di studio, provenienti dal presente studio e da letteratura precedente è stata utilizzata per discuterne la consistenza con i differenti scenari geodinamici proposti per l’evoluzione Neogenica della regione Carpato-Pannonica. I risultati indicano che i campioni della thrust belt sono stati riscaldati fino a temperature variabili, benché generalmente inferiori ai 650°C, e successivamente raffreddati tra il Miocene Inferiore e il Miocene superiore. Poiché non è stata riscontrata la presenza, nella thrust belt, di evidenze relative a perturbazioni del campo termico durante il Miocene, ne deriva che la storia termica dei campioni in esame è interamente dipendente dalla loro storia di seppellimento ed esumazione. L’area in esame è stata suddivisa, in fase di discussione, in tre settori caratterizzati da diverse storie di seppellimento ed esumazione e da un diverso assetto strutturale, topografico e dei parametri geofisici. Le profondità di seppellimento raggiunte appaiono progressivamente più omogenee spostandosi lungo strike dal settore occidentale a quello orinetale. L’esumazione della catena è avvenuta per erosione del prisma di accrezione durante il thrusting,nel settore occidentale (23-10Ma), per erosione e denudamento tettonico durante una fase estensionale post-thrusting nel settore centrale, e per erosione del wedge durante il sollevamento post-thrusting nel settore orientale. L’insieme di questi processi esumativi e della distribuzione spaziale del seppellimento lungo la catena sono maggiormente compatibili con modelli evolutivi per la regione Carpato-Pannonica che non comprendano dinamiche legate alla presenza di slab in subduzione, come ad esempio l’ipotesi basata sul collasso gravitativo della litosfera. Infine la storia di seppellimento-esumazione dei Carpazi ucraini è legata a dinamiche litosferiche, mentre quella dei Carpazi polacchi riflette dinamiche esclusivamente crostali