Paleostress and Remote Sensing Analysis of Brittle Fractures from the Eastern Margin of the Dead Sea Transform, Jordan

Omar Mohammad Ahmad Radaideh, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Práce je pokusem získat lepší pochopení tektonického vývoje území jihozápadního Jordánska na základě kombinací terénní paleonapjatostní analýzy a souborů dat dálkového průzkumu Země. Byl zvolen nový přístup k paleonapjatostní analýze založený na metodě inverze dat zlomů s ohlazy v devítirozměrném prostoru, což umožnilo úspěšně detekovat pět hlavních tektonických epizod. Tyto epizody probíhaly od pozdní křídy, jejich chronologické vazby byly určeny podle stratigraficky určeného stáří postižených hornin a lokálně pozorovaných vzájemných vztahů různě starých striací na reaktivovaných zlomech. Během období od pozdní křídy do konce eocénu byla oblast v režimu komprese, příp. horizontálních posunů s orientací hlavního normálového napětí σ1 ve směru V-Z. Během oligocénu se uplatňoval režim horizontálních posunů s kompresním napětím σ1 ve směru SZ-JV. Oba kompresní režimy odpovídají deformacím tzv. syrského oblouku, které vedly k výraznému zvrásnění v Jordánsku a jeho okolí. Extenzní režim s hlavním normálovým napětím σ3 ve směru S-J až SV-JZ, který následoval po pozdně oligocenní kompresní události, se uplatnil během miocénu a s největší pravděpodobností souvisel s otevíráním riftu Rudého moře–Suez. Pozdní kenozoická tektonika ukazuje výskyt dvou po sobě jdoucích kompresí směrů SZ-JV, a pak SV-JZ až S-J, které obecně odrážejí kontinentální kolizní vztah mezi arabskou a euroasijskou deskou. Pro automatickou extrakci a sledování geologických lineamentů a sítí vodních toků byly použity datové soubory družicových snímků. Tektonické prvky ovlivňující povrch krajiny byly vyhodnoceny pomocí profilů spádových křivek mnoha západních vodotečí. Tyto profily byly vedeny přímo přes řadu poruch/lineamentů různého směru v místech výrazných topografických hranic mezi málo a velmi členitými krajinami na východní straně zlomové zóny Mrtvého moře. Toky této oblasti se výrazně liší a ukazují četné anomálie ve svých spádových profilech v místech, kde protékají přes tektonické poruchy/lineamenty. Celkem bylo určeno pět typů prostorově distribuovaných odvodňovacích systémů – dendritický, paralelní, pravoúhlý, mřížový a modifikovaný dendriticko-mřížový. Interpretace a analýza lineamentů signalizovala přítomnost čtyř hlavních populací lineamentů směrů Z-V, S-J, SV-JZ a SZ-JV. Azimutální distribuční analýza obou měřených struktur a drenážní sítě vykázaly trendy podobné těm, jaké je možné předvídat na základě analýzy lineamentů, avšak s tím, že v převládajících směrech jsou jen velmi malé rozdíly v četnostech. Podobnost v orientaci lineamentů, vodní sítě a podzemních strukturních prvků zvýrazňuje stupeň ovlivnění terénní topografie geologickým podkladem. Poruchy a lineamenty však predisponovaly hlavní vodní toky. Vybrané lineamenty byly rozděleny do pěti populací podle stáří hornin v daném území tak, aby bylo možno získat informace o časovém vývoji reaktivací na lineamentech v různých geologických obdobích. Byla zjištěna obecná závislost na směrech lineamentů v jednotlivých litologických jednotkách, což s největší pravděpodobností indikuje opakované tektonické pohyby podél již existujících hlubokých strukturních prvků, které zřejmě působí jako zóny oslabení zemské kůry. Reaktivace takových „zděděných“ nespojitostí v dnešním napjatostním poli je nejpravděpodobnějším vysvětlením komplikovaného vzoru a stylu současné krajiny v jihozápadním Jordánsku.

Abstract:

An attempt was made to gain a better insight into the tectonic evolution of the SW Jordan, based on a combined analysis of field-based paleostress and remotely sensed datasets. A new approach for paleostress analysis, using the nine-dimensional space fault-slip inversion method, allows to successfully detect five major tectonic episodes. These episodes prevailed since late Cretaceous times, and their chronological constraints were established essentially from the stratigraphic ages of the affected rocks and the crosscutting relationships of successive striae locally observed on the fault planes. During the late Cretaceous to late Eocene, the area was under a compressional/strike-slip stress regime with a ~E-W trending σ1. At Oligocene, a strike-slip stress regime with NW-SE striking σ1 occurred. Both compression regimes correspond to the so-called Syrian Arc Deformation that gave rise to distinctive folds in Jordan and its surrounding areas. An extension with ~N-S to NE-SW trending σ3 followed the late Oligocene compression event and took place during Miocene time, most probably linked to the opening of the Red Sea-Suez Rift. Late Cenozoic tectonics show the occurrence of two successive compressions, NW-SE then both NE-SW and ~N-S, which generally reflect a continental collisional setting between the Arabian and Eurasian plates. Satellite remote sensing datasets were used for automatically extracting, and mapping the geological lineaments and drainage networks. The tectonic controls on the surface landscape were evaluated by investigation of the longitudinal profiles of many westerly flowing streams. The profiles were taken directly across many faults/lineaments of diverse trend within a strong topographic transition between the low-gradient uplands and the deeply incised mountain front on the east side of the Dead Sea Fault Zone. Streams of the area are widely divergent, and showing numerous anomalies along their profiles when they flows across the faults/lineaments. Five types of spatially distributed drainage patterns wereidentified; dendritic, parallel, rectangular, trellis, and modified dendritic/trellis.Interpretation and analysis of the lineaments indicate the presence of four main lineament populations that trend~E-W, ~N-S, NE-SW, and NW-SE. Azimuthal distribution analysis of both the measuredstructures and drainage channels show similar trends to those predicted from the lineaments analysis, except that a very few differences in theprevailing directions. The similarity in orientation of lineaments, drainage system, andsubsurface structural trends highlights a degree of control exerted by underlying structure on thesurface geomorphological features. Faults and lineaments are however serving as a preferentialconduit for surface running waters. The extracted lineaments were divided into five populationsbased on the main age of host rocks outcropping in the study area to obtain information about thetemporal evolution of the lineament trends through the various geologic times. A generalconsistency in the lineament trends over the different lithological units was observed, most probablysupport the repeated reactivation of tectonism along preexisting deep structural linear featureswhichapparently act as crustal weakness zones. The reactivation along such inherited discontinuitiesunder the present-day stress field is the most probable explanation to interpret of thecomplicated pattern and style of presentday landscape characteristicsin SW Jordan.

Keywords

tektonika, křehká deformace, zlomy, paleonapjatostní analýza, dálkový průzkum Země, GIS, drenážní systém, zlom Mrtvého moře, Jordánsko, Arabská deska tectonics, brittle deformation, faults, paleostress analysis, remote sensing, drainage system, Dead Sea Fault, Jordan, Arabian Plate

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 8. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 11. 11. 2016
• Supervisor: doc. RNDr. Rostislav Melichar, Dr.
• Reader: doc. RNDr. Jozef Hók, CSc., doc. Ing. Jan Jelínek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology (4-years) / Geological Sciences