The Rhine graben rift system-plate tectonics and transform faulting

Abstract

The Rhinegraben is the central segment of a rift system which traverses Western Europe from the North Sea to the Mediterranean. Rifting, which had started in the Middle Eocene, was preceded by early-Teriary nephelinitic eruptions. The center of maximum subsidence shifted along the graben axis from south to north during geologic times. The maximum thickness of sedimentary fill is observed in the northern part of the Rhinegraben to be as much as 3350 m. Most of the internal and external faults are normal faults. By theoretically returning the dip-slip movements and tilted block tectonics back to their original positions a lateral gap can be calculated in the amount of 4.8 km. The graben shoulders began to rise along the marginal fault scarps as outward tilted blocks contemporaneously when fault trough subsidence set in. The graben sinking and shoulder uplift are still in progress. Rates of annual vertical movements up to 0.7 mm, as well as seismic activity, are observed. Below both graben and shoulders a cushion-shaped body has been ascertained, intercalated between crust and mantle, with P-velocities of 7.6–7.7 km s⁻¹. This body is interpreted to be of mantle-derived material; its crest follows the graben axis and ascends up to 24 km beneath the graben floor. It is thought that rifting, like graben subsidence and shoulder elevation, is controlled by the formation and growth of this laccolithic body. Tensional tectonics and sideward plate movements are reduced to gravity slide of the torn and upwarped crustal plates or sub-plates, decoupled from the substratum by heat transfer and consequential partial melting along the cushion surface. The lateral offsets at the transitions from the Rhinegraben to its continual segments are intersected by transversal zones of enhanced seismicity and volcanic action. The observed fault patterns are interpreted as crustal traces of subcrustal transform faulting. Rhine graben tectonism is discussed as to its local interference and temporal interaction with Alpine orogenesis, just as in its causal and spatial connection to the world rift system as a whole, Several arguments pertaining to the understanding of the driving mechanisms are discussed and a new model of rift tectonics is indicated.

Zusammenfassung

Der Rheingraben ist der mittlere Abschnitt eines'Grabengürtels, welcher Westeuropa von der Nordsee bis zum Mittelmeer durchzieht. Frühtertiäre, nephelinitische Eruptionen kündigten das Grabengeschehen an; die ersten Senkungen vollzogen sich im Mitteleozän. Der Senkungsschwerpunkt hat sich allmählich vom südlichen zum nördlichen Grabenede verlagert. Die maximale Füllmächtigkeit mit 3350 m wurde im nördlichen Abschnitt beobachtet. Die Mehrzahl der inneren und äußeren Grabenverwerfungen sind Abschiebungen. Macht man die Grabentektonik konstruktiv rückgängig, ergibt sich ein Zerrungsbetrag von 4,8 km senkrecht zur Grabenachse. Die Aufstemmung der Grabenschultern als nach außen gekippte Pultschollen hat gleichzeitig mit der Grabensenkung eingesetzt. Grabensenkung und Schulterhebung dauern bis in die Gegenwart an. Jährliche, vertikale Bewegungsraten bis zu 0,7 mm wie auch seismische Aktivität bestätigen dies. Graben und Schultern werden von einem kissenförmigen Körper mit P-Geschwindigkeiten zwischen 7,6–7,7 km s⁻¹ unterlagert, der sich zwischen Kruste und Mantel einschiebt. Er scheint aus aufgestiegener Mantelmaterie zu bestehen. Der Graben fogt der Kammlinie dieses subkrustalen Körpers, dessen Scheitel 24 km Tiefe erreicht. Krustale Zerreißung, Grabensenkung und Schulterhebung werden auf die Bildung und das Wachstum dieses lakkolithischen Körpers zurückgeführt. Zerrungstektonik und seitliches Ausweichen der rahmenden Krustenblöcke werden einer Schweregleitung der aufgebogenen Krustenplatten zugeschrieben, wobei Aufschmelzungsvorgänge für eine mechanische Entkuppelung an der Krustenbasis sorgten. Der seitliche Versatz der Grabenachsen beim Übergang zu den Anschlußsegmenten vollzieht sich längs seismisch aktiver Querzonen mit neogenem Vulkanismus. Das Strukturgitter dieser Querzonen läßt sich auf subkrustale transform faults zurückführen. Die Tektogenese des Rheingrabens betraf in Wechselwirking die gleichen Krustenplatten wie die benachbarte alpine Orogenese. Ferner wird der Zusammenhang mit dem World Rift System diskutiert. Die erkennbaren Symptome bezüglich des Antriebsmechanismus werden ausgewertet, und sein neues Modell der Rift-Tektonik wird konzipiert.