Probabilistic approaches to including uncertainty in 3-D geometric and kinematic models of the Eastern Alps and its foreland: implications for exhumation histories and their link to deeper processes

Brisson, Sofia Cecilia; Scheck-Wenderoth, Magdalena; von Hagke, Christoph; Wellmann, Jan Florian

doi:10.18154/RWTH-2025-10136

Probabilistic approaches to including uncertainty in 3-D geometric and kinematic models of the Eastern Alps and its foreland: implications for exhumation histories and their link to deeper processes

Brisson, Sofia Cecilia^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sofia Cecilia Brisson, Licenciature

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Wellmann, Jan Florian (Thesis advisor)^RWTH* ; Scheck-Wenderoth, Magdalena (Thesis advisor) ; von Hagke, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10136
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1022629/files/1022629.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D modeling (frei) ; Eastern Alps (frei) ; exhumation (frei) ; thermochronology (frei) ; uncertainty (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Um die Zusammenhänge zwischen tiefliegenden Prozessen und der Exhumierung des Ostalpins zu verstehen, ist ein umfassendes Verständnis dessen thermischen Entwicklung notwendig. Hierzu werden üblicherweise thermokinematische Modelle zur Hilfe gezogen. Aktuelle Ansätze sind jedoch in ihrer Zweidimensionalität beschränkt. Des Weiteren berücksichtigen sie üblicherweise weder strukturelle noch kinematische Unsicherheiten. Unter Einbeziehung dieser Faktoren könnte sich das Verständnis großräumiger Prozesse verbessern, wie z. B. die Polaritätsumkehr der Subduktion in den Ostalpen. In dieser Arbeit wird daher der Fokus auf die Entwicklung von 3-D-Modellierungsroutinen gelegt, die strukturelle und kinematische Unsicherheiten in den Ostalpen berücksichtigen. Auf Grundlage dieser Modelle wird anschließend untersucht, wie sich diese Unsicherheiten auf Exhumierungsmodelle und auf die Interpretation der tektonischen Entwicklung der Ostalpen auswirken. Zunächst liegt der Fokus auf der subalpinen Molasse der Ostalpen. Die subalpine Molasse gilt dabei als Schlüsselelement für das Verständnis der Dynamik des Orogens. Erstmals wird ein Verfahren entwickelt, mit dem strukturelle und kinematische Unsicherheiten in komplexen und realistischen geologischen 3-D-Modellen der Dreieckszone der subalpinen Molasse berücksichtigt werden können. Implizite und kinematische Modellierungspakete werden eingesetzt, um automatisierte 3-D-Modelle unter Einbeziehung von Unsicherheiten zu erzeugen. Darüber hinaus werden diese Routinen in einen Bayes’schen Inversionsrahmen integriert, in dem verfügbare thermochronologische Niedrigtemperaturdaten zur Einschränkung der Exhumierungsmodelle genutzt werden. Schließlich wird hier die erste Implementierung der Kombination von Thermochronometern mit probabilistischer kinematischer 3-D-Modellierung vorgestellt. Die Ergebnisse des ersten Teils zeigen, dass die Niedrigtemperatur-Thermochronologie nur bedingt Anhaltspunkte für die Exhumierung liefern kann und möglicherweise nicht ausreichend ist, um die gewünschte Verringerung der Unsicherheiten zu erreichen. Aus den Benchmark-Studien wird jedoch ersichtlich, dass eine größere Datendichte und/oder die Verwendung einer Kombination unterschiedlicher Thermochronometer erforderlich ist. Die Methode gibt ebenfalls Aufschluss darüber, ob weitere Faktoren zur Ermittlung der Exhumierung berücksichtigt werden müssen. Anschließend wurden die Routinen auf den TRANSALP-Abschnitt, einen Transekt durch das gesamte alpine Orogen, übertragen. Dabei werden die dichten und vielfältigen thermochronologischen Daten genutzt, um einen quantitativen Vergleich zwischen zwei geometrischen und kinematischen 3-D-Hypothesen für den TRANSALP-Abschnitt auf orogener Ebene vorzunehmen. Eine der Hypothesen unterstützt die Umkehrung der Polarität der Subduktion, die andere nicht. Die Ergebnisse zeigen, dass die thermochronologischen Daten das Modell der Polaritätsumkehr ohne Subduktion favorisiert, da, unter Berücksichtigung der Unsicherheiten, dessen Geometrie die Exhumierungstrends besser erklärt. Die Ergebnisse werden mit der Literatur verglichen und diskutiert, diese kommt größtenteils zum Schluss dass eine konstante südwärts gerichtete Subduktion vorliegt. Angesichts der Verfügbarkeit von thermochronologischen Daten ist die entwickelte Methode ein nützliches Werkzeug um unterschiedliche Modelle quantitativ zu bewerten. Des Weiteren können mit Hilfe unserer Methode die allgegenwärtigen subjektiven Unsicherheiten der Geologie verringert werden.

Deciphering the time-temperature evolution of the Alpine orogen is key to understand the influence of deep-seated processes on its exhumation. This is often done employing thermokinematic models. One shortcoming of many current approaches is that they are limited to 2-D and do not consider structural or kinematic uncertainties, which can have direct implications on accurately understanding larger-scale processes of the Alps, such as the conjectured Eastern Alps subduction polarity reversal. In this thesis, I thus focus on developing 3-D modeling routines to include structural and kinematic uncertainties in the Eastern Alps. Using these models as base, I will explore the influence of uncertainty on exhumation models and on the interpretation of the tectonic evolution of the Eastern Alps. The first focus of the thesis is on the Subalpine Molasse, the foreland fold-thrust belt of the Alps, which is a key element to resolve large-scale dynamics of the orogen. For the first time, a procedure is created to account for structural and kinematic uncertainty in complex, realistic, 3-D geological models of the Subalpine Molasse triangle zone. Implicit and kinematic modeling packages are used to create automated 3-D model realizations considering parameter uncertainty. These routines are further integrated into a Bayesian inversion framework, where thermal resetting behavior from available low-temperature thermochronological data is used as a modeling constraint to exhumation. The developed approach marks the first implementation of combining data from different thermochronometers with probabilistic kinematic modeling in 3-D. Results from this first part show that thermal resetting behavior can only provide very broad constraints to exhumation and may not be informative enough to achieve a decrease in uncertainty. The simple benchmark studies show, however, that a greater data density and/or using a combination of thermal resetting behavior of different thermochronometers (i.e., enhancing both spatial and temporal resolution) would render this method very useful to obtain precise and accurate exhumation estimates. The method is also potentially meaningful to identify the need to consider alternative drivers of exhumation. Next, I upscale these routines to the TRANSALP section, a transect through the entire Alpine orogen. A denser and more diverse thermochronological record is employed to perform a quantitative model selection between two 3-D orogen-scale geometric and kinematic hypotheses for the TRANSALP section. One hypothesis supports subduction polarity reversal, and the other does not. Results show that using thermochronological record strongly supports the no subduction polarity reversal model, as its geometry better explains exhumation trends when considering parameter uncertainty. I discuss these results in the context of previously existing studies, that are mostly consistent with a constant, southward subduction. It can be ascertained that the developed method is useful, again, given the wide availability of thermochronological data, to quantitatively discriminate between different starting model hypotheses, and is a practical way to address the ubiquitous subjective uncertainties in geology.

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