Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3199
Authors: Aanyu, Kevin
Title: Implications of regional fault distribution and kinematics for the uplift of rift flanks around the Rwenzori Mountains, Southwestern Uganda
Online publication date: 12-Oct-2011
Language: english
Abstract: Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Störungsverteilung und der Störungskinematik im Zusammenhang mit der Hebung der Riftschultern des Rwenzori Gebirges.\r\nDas Rwenzori Gebirge befindet sich im NNE-SSWbis N-S verlaufenden Albertine Rift, des nördlichsten Segments des westlichen Armes des Ostafrikanischen Grabensystems. Das Albertine Rift besteht aus Becken unterschiedlicher Höhe, die den Lake Albert, Lake Edward, Lake George und Lake Kivu enthalten. Der Rwenzori horst trennt die Becken des Lake Albert und des Lake Edward. Es erstreckt sich 120km in N-S Richtung, sowie 40-50km in E-W Richtung, der h¨ochste Punkt befindet sich 5111 ü. NN. Diese Studie untersucht einen Abschnitt des Rifts zwischen etwa 1°N und 0°30\'S Breite sowie 29°30\' und 30°30\' östlicher Länge ersteckt. Auch die Feldarbeit konzentrierte sich auf dieses Gebiet.\r\n\r\nHauptzweck dieser Studie bestand darin, die folgende These auf ihre Richtigkeit zu überprüfen: ’Wenn es im Verlauf der Zeit tatsächlich zu wesentlichen Änderungen in der Störungskinematik kam, dann ist die starke Hebung der Riftflanken im Bereich der Rwenzoris nicht einfach durch Bewegung entlang der Graben-Hauptst¨orungen zu erklären. Vielmehr ist sie ein Resultat des Zusammenspiels mehrerer tektonische Prozesse, die das Spannungsfeld beeinflussen und dadurch Änderungen in der Kinematik hervorrufen.’ Dadurch konzentrierte sich die Studie in erster Linie auf die Störungsanalyse.\r\n\r\nDie Kenntnis regionaler Änderungen der Extensionsrichtung ist entscheidend für das Verständnis komplexer Riftsysteme wie dem Ostafrikanischen Graben. Daher bestand der Kern der Untersuchung in der Kartierung von Störungen und der Untersuchung der Störungskinematik. Die Aufnahme strukturgeologischer Daten konzentrierte sich auf die Ugandische Seite des Rifts, und Pal¨aospannungen wurden mit Hilfe von St¨orungsdaten durch Spannungsinversion rekonstruiert.\r\nDie unterschiedliche Orientierung spr¨oder Strukturen im Gelände, die geometrische Analyse der geologischen Strukturen sowie die Ergebnisse von Mikrostrukturen im Dünnschliff (Kapitel 4) weisen auf verschiedene Spannungsfelder hin, die auf mögliche Änderungen der Extensionsrichtung hinweisen. Die Resultate der Spannungsinversion sprechen für Ab-, Über- und Blattverschiebungen sowie für Schrägüberschiebungen (Kapitel 5). Aus der Orientierung der Abschiebungen gehen zwei verschiedene Extensionsrichtungen hervor: im Wesentlichen NW-SE Extension in fast allen Gebieten, sowie NNE-SSW Extension im östlichen Zentralbereich.\r\nAus der Analyse von Blattverschiebungen ergaben sich drei unterschiedliche Spannungszustände. Zum Einen NNW-SSE bis N-S Kompression in Verbindung mit ENE-WSW bzw E-W Extension wurde für die nördlichen und die zentralen Ruwenzoris ausgemacht. Ein zweiter Spannungszustand mit WNW-ESE Kompression/NNE-SSW Extension betraf die Zentralen Rwenzoris. Ein dritter Spannungszustand mit NNW-SSE Extension betraf den östlichen Zentralteil der Rwenzoris. Schrägüberschiebungen sind durch dazu schräge Achsen charakterisiert, die für N-S bis NNW-SSE Kompression sprechen und ausschließlich im östlichen Zentralabschnitt auftreten. Überschiebungen, die hauptsächlich in den zentralen und den östlichen Rwenzoris auftreten, sprechen für NE-SW orientierten σ2-Achsen und NW-SE Extension.\r\n\r\nEs konnten drei unterschiedliche Spannungseinflüsse identifiziert werden: auf die kollisionsbedingte Bildung eines Überschiebungssystem folgte intra-kratonische Kompression und schließlich extensionskontrollierte Riftbildung. Der Übergang zwischen den beiden letztgenannten Spannungszuständen erfolgte Schrittweise und erzeugte vermutlich lokal begrenzte Transpression und Transtension. Gegenw¨artig wird die Störungskinematik der Region durch ein tensiles Spannungsregime in NW-SE bis N-S Richtung bestimmt.\r\n\r\nLokale Spannungsvariationen werden dabei hauptsächlich durch die Interferenz\r\ndes regionalen Spannungsfeldes mit lokalen Hauptst¨orungen verursacht. Weitere Faktoren die zu lokalen Veränderungen des Spannungsfeldes führen können sind unterschiedliche Hebungsgeschwindigkeiten, Blockrotation oder die Interaktion von Riftsegmenten. Um den Einfluß präexistenter Strukturen und anderer Bedingungen auf die Hebung der Rwenzoris zu ermitteln, wurde der Riftprozeß mit Hilfe eines analogen ’Sandbox’-Modells rekonstruiert (Kapitel 6). Da sich die Moho-Diskontinuität im Bereich des Arbeitsgebietes in einer Tiefe von 25 km befindet, aktive Störungen aber nur bis zu einer Tiefe von etwa 20 km beobachtet werden können (Koehn et al. 2008), wurden nur die oberen 25 km im Modell nachbebildet. Untersucht und mit Geländebeobachtungen verglichen wurden sowohl die Reihenfolge, in der Riftsegmente entstehen, als auch die Muster, die sich im Verlauf der Nukleierung und des Wachstums dieser Riftsegmente ausbilden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Entwicklung der beiden Subsegmente gelegt auf denen sich der Lake Albert bzw. der Lake Edward und der Lake George befinden, sowie auf das dazwischenliegende Rwenzori Gebirge. Das Ziel der Untersuchung bestand darin herauszufinden, in welcher Weise das südwärts propagierende Lake Albert-Subsegment mit dem sinistral versetzten nordwärts propagierenden Lake Edward/Lake George-Subsegment interagiert.\r\n\r\nVon besonderem Interesse war es, in welcherWeise die Strukturen innerhalb und außerhalb der Rwenzoris durch die Interaktion dieser Riftsegmente beeinflußt wurden. \r\n\r\nDrei verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Randbedingungen wurden miteinander verglichen. Abhängig vom vorherrschenden Deformationstyp der Transferzone wurden die Reihen als ’Scherungs-dominiert’, ’Extensions-dominiert’ und als ’Rotations-dominiert’ charakterisiert. Die Beobachtung der 3-dimensionalen strukturellen Entwicklung der Riftsegmente wurde durch die Kombination von Modell-Aufsichten mit Profilschnitten ermöglicht. Von den drei genannten Versuchsreihen entwickelte die ’Rotationsdominierten’ Reihe einen rautenförmiger Block im Tranferbereich der beiden Riftsegmente, der sich um 5−20° im Uhrzeigersinn drehte. DieserWinkel liegt im Bereich des vermuteten Rotationswinkel des Rwenzori-Blocks (5°). Zusammengefasst untersuchen die Sandbox-Versuche den Einfluss präexistenter Strukturen und der Überlappung bzw. Überschneidung zweier interagierender Riftsegmente auf die Entwicklung des Riftsystems. Sie befassen sich darüber hinaus mit der Frage, welchen Einfluss Blockbildung und -rotation auf das lokale Stressfeld haben.
This study was geared at defining the implications of fault distribution and kinematics for the rift-flank uplift around Rwenzori mountains that lie in the Albertine Rift, which is the northern most segment of the western branch of the East African Rift System. The NNE-SSW to N-S striking Albertine Rift consists of basins that lie at different elevations and host the lakes Albert, Edward-George and Kivu. The Rwenzori horst separates the Albert from the Edward lake basin. It extends 120km in the N-S direction and 40-50km in W-E direction, reaching a height of 5111m a.m.s.l at its highest peak. The study targeted a section of the rift approximately within latitudes 1°0′N and 0°30′S and longitudes 29°30′E and 30°30′E, which also delimit the zone where field surveys were carried out.\r\n\r\nThe Primary aim for the study was to test the hypothesis that ‘If indeed there is a major change in fault kinematics with time, then the high rift-flank uplift around the Rwenzoris is not simply controlled by movements along the major boundary faults but is a result of interplay of several tectonic processes that alter the stress field regimes to effect kinematic changes.’ As such, the study was mostly focused on faults. Assessment of regional variations in the local extension directions is vital in evaluation of rifting processes for rift systems with complex architecture such as the East African Rift. Thus the key objective was to map out faults and study their kinematics, so as to workout the stress field regimes responsible for their development. Structural measurements were taken mainly on the Ugandan side of the rift and paleostresses were reconstructed by inversion of fault-slip data using the Stress inversion via simulation method. From field observations, geometric structure analysis and microstructural study (chap.4), different causative stresses were envisaged with possible temporal change of extension directions. Results from inversion indicated normal, thrust, strike-slip and oblique-thrust faulting (chap. 5). Normal faults exhibited two modes of extension, characterised by NW-SE trending σ3-axes (main rift extension direction) observed in nearly all areas and NNE-SSW extension observed in the east central part.\r\n\r\nStrike-slip faults exhibited three modes. One characterised by NNW-SSE to N-S compression and ENE-WSW to W-E extension was observed in the northern and central Rwenzoris. The second mode showed WNW-ESE compression and NNE-SSW extension, observed mainly in the central Rwenzoris whereas the other with oblique mode of slip and approximately NNW-SSE extension, was observed only in the east central part.\r\nOblique thrust faulting was characterised by tilted axes portraying approximately N-S to NNW-SSE compression, observed only in the east central part. \r\nFinally, pure-thrusting exhibited mainly in the central and east central Rwenzoris, was characterised by NE-SW-trending σ2-axes and NW-SE extension.\r\nThree stress regimes were identified. An early collisional thrusting regime, followed by a compressive intra-cratonic regime and then an extensional rifting one. The transition of the latter two was gradual, probably involving localised transpression and transtension in certain areas. At present, the fault kinematics of this region are controlled by an extensional stress regime showing NW-SE to WNW-ESE and locally N-S directed extension. Local variation of stress fields reflected mixed effects of temporal fluctuation or rotation and reversal of axes-orientations and interference of regional stresses by stress fields around master faults. Differences in local state of gravitational potential energy, block rotation and/or uplift and stress field perturbation due to interaction of rift segments, are also potential contributing factors.\r\n\r\nTo investigate the influence of pre-existing crustal structures and constrain conditions under which the Rwenzoris formed, the rifting process was replicated using scale sandbox models (chap. 6). Since the Moho-discontinuity in the target region lies at average depth of 25km and active faulting can be traced down to 20km depth (Koehn et al. 2008), only the upper 25km was modelled. The order of development of fault segments was observed and growth patterns studied right from the point of nucleation, through the process of propagation and were compared with the field scenario. Focus was set upon development of the L. Albert and L. Edward-George sub-segments and between them the high uplifted Rwenzori block. The aim was to study how the southward propagating Lake Albert subsegment to the north interacts with the sinistrally offset, northward propagating Lake Edward-Lake George sub-segment. The objective was to explain how this interaction accounts for the structures and geometry observed within and around the Rwenzoris.\r\n\r\nThree different sets of boundary conditions selected gave three experimental series, which were compared. Depending on the dominant type of deformational characteristics prevalent in the transfer zone, the series were respectively described as ‘shear-dominated’, ‘extension-dominated’ and ‘rotation-dominated’. The experiments enabled 3-D structural evolution of rift segments to be studied by combining observations of model plan-view with those of section cuts. From plan-view and sections of developing fault and rift segments, kinematics resulting from a given set of boundary conditions were studied and results compared with the natural scenario. Of the three, the ‘rotation-dominated’ model created a ‘pass’ during segment interaction and captured a lozenge-shaped block that rotated through angles in the range 5-20° clockwise, qualifying it to be the closest approximation to the prototype. In brief, the models broadly addressed the role of pre-existing structures and relative sizes of overlap and/or overstep between two interacting rift segments, during development and evolution of the rift. They also addressed effects of interaction and block capture or rotation on local stress fields.
DDC: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3199
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 161 S.
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