background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 53, 4, BRATISLAVA, AUGUST  2002

235—244

NEO-ALPINE LINEAR DENSITY BOUNDARIES (FAULTS)

DETECTED BY GRAVIMETRY

MIROSLAV BIELIK

1

, MICHAL KOVÁČ

2

, IVAN KUČERA

3

, PAVOL MICHALÍK

3

,

MARTIN ŠUJAN

4

 and JOZEF HÓK

5

1

Geophysical Institute of the Slovak Academy of Sciences, Dúbravská cesta 9, 842 28 Bratislava, Slovak Republic; geofmiro@savba.sk

2

Department of Geology and Paleontology, Faculty of Science, Comenius University, Mlynská dolina G, 842 15 Bratislava, Slovak Republic

3

Relix Ltd., Staré grunty 61, 841 04 Bratislava, Slovak Republic

4

EQUIS, Ltd., 831 02 Bratislava, Slovak Republic

5

State Geological Institute of Dionýz Štúr, Mlynská dolina 1, 817 04 Bratislava, Slovak Republic

(Manuscript received July 24, 2001; accepted in revised form December 13, 2001)

Abstract: The use of gravimetry, as one of the geophysical methods for identification of brittle deformations – faults
active  during  the  neo-Alpine  development  of  the  Western  Carpathians,  confirmed  its  role  in  research  of  the  orogene
geodynamic evolution. The study of several sites in the western part of the Western Carpathians documents the fact, that
the maps obtained by means of different effective gravimetric methods of transformations and visualization of gravity
(potential field) data can be correlated well with the age, and thus also with the depth of the faults. The map of the total
Bouguer gravity anomaly displays faults without distinguishing their age and depth. In such case the use of the Linsser
method  is  proper  for  the  detection  of  faults  or  density  boundaries.  While  the  derived  maps,  such  as  the  vertical  and
horizontal gradients, and the residual anomaly maps, document the faults depending on the type of transformation and
visualization of the input computation parameters. The results and interpretation indicate, that the map of residual anomalies
displays mainly the deep faults of the initial rifting and of the synrift stage of the back-arc basin development and the
map of the vertical gradient displays most of all the young shallow marginal faults and faults linked with the postrift
thermal subsidence stage and tectonic inversion of the basin.

Key words: neo-Alpine tectonics, Western Carpathians, brittle deformations, linear density boundaries, gravimetry.

Introduction

Gravimetry can be used, in an applied form, for investigation
of the geological pattern of the region, which means also for
detecting the brittle tectonic deformations – faults (e.g. Lins-
ser 1967a,b; Nettleton 1971; Garland 1979; Griffiths & King
1981;  Fusán  et  al.  1987;  Šefara  et  al.  1987;  Murata  &  Noro
1994;  Langenheim  1995;  Wybraniec  1999;  Nemesi  et  al.
1996).

The gravity gradients most often separate the boundaries of

units, which vary in petrographic and/or density, and are the
major indicators of tectonics on a gravimetric map. Their in-
tensity is proportional to the density difference, the amplitude
of the step, and the slope of the fault. For practical application,
the density boundary (fault) is approximated by a simple geo-
metric body (two-dimensional), the dimension of which along
the fault is infinite (Nettleton 1971; Linsser 1967a,b; Pick et
al. 1973; Griffiths & King 1981).

The principle of the method lies in calculation of the gradi-

ent  function  based  on  taking  the  derivative  of  the  measured
gravity data (V

z

) either with respect to the and axes (hori-

zontal gradient – V

zx 

or V

zy 

(HG)), or the axis (vertical gra-

dient – V

zz 

(VG)). The derivatives may be calculated by fi-

nite  differences.  The  resulting  maps  are  portrayed  either  in
positions of the inflex points (by localizing the maxima of the
amplitude  of  the  gravity  field  gradient)  or  by  isolines  of  the
gradient moduli (Parasnis 1967; Pick et al. 1973; Lillie 1999;
Wybraniec 1999).

The main goal of this study is to test the use of gravimetry as

one of the geophysical methods for investigation of the neotec-
tonics in the western part of the Western Carpathians (Fig. 1).

Fig.  1.  Schematic  tectonic  map  of  the  Eastern  Alpine—Western
Carpathian—Pannonian  basin  region  (modified  after  Lillie  et  al.
1994). The studied area is shown by a frame.

24

o

16

o

28

o

48

o

44

o

52

o

50

o

46

o

18

o

26

o

Neogene Volcanics

Molasse Foredeep

Outer Carpathian

Inner Carpathians

Eastern Alps

European 
Platform

Dinarides

Pannonian Basin
Sediments 

0

200 km

Eur

op

ea

n

Pl

at

fo

rm

Din

ari

des

Bo

hem

ia

n

Ma

ss

if

Pannonian

Basin

100

s

E. Alps

And Alpine Flysch

Belt

14

o

12

o

22

o

C a r

20

o

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

background image

236                                                                                               BIELIK et al.

That is also why we will deal only with those gravity field in-
terpretation methods, that can contribute most to the indication
of linear structures of the gravity field. In this paper, effective
mapping methods of gravity data are described. The total Bou-
guer gravity anomaly map in combination with its transformed
and visualized gravity data help us to understand the interde-
pendent nature of the relationships of geological phenomena
(Meskó 1985; Šefara 1989; Bielik 1982).

Methodology

The total Bouguer gravity anomaly is a superposition of the

gravity  effects  of  all  the  density  inhomogeneities  that  are
present under the surface of the studied region. The effect of
inhomogeneities  depends  on  their  size,  differential  density,
and the distance from the observation point (e.g. Torge 1989).
In practice it often happens that the gravity effect of the anom-
alous  body  under  our  interest  (here  –  the  linear  density
boundary – fault) is partly or totally concealed by effects of
other anomalous masses. This implies that the quality of the
interpretation substantially depends on the quality of separat-
ing the gravity effect of the investigated fault from the Bougu-
er gravity anomalies. Generally, the anomaly may be divided
at each point into two components: the regional and the residu-
al. The regional (residual) component of the gravity is charac-
terized  by  long-wavelength  (short-wavelength)  anomalies.
Linear form of the Bouguer gravity anomaly (density bound-
ary) produces a couple of positive/negative residual anomalies
and the density boundary is going between them.

In gravimetry, the transformed maps (the derived or convo-

lution  maps)  differ  from  the  original  maps  of  total  Bouguer
gravity  anomalies  by  having  the  components  of  the  original
field, that concern us, pronounced (e.g. Ku et al. 1971; Meskó
1985; Pick et al. 1973; Šefara et al. 1987; Bielik 1982; Blakely
1996). Any transformation cannot bring a basically new infor-
mation, it may, however, somehow extract and amplify what is
already contained within the original map.

The  use  of  the  transformation  method  depends  mainly  on

whether  we  deal  with  a shallow  fault  or  a  deep  fault.  When
searching for shallow (deep-seated) faults, the interpreter must
apply  such  transformation  method,  which  pronounces  the
anomalies with short (long) wavelengths. The residual anoma-
ly at the point of calculation was defined as the mean value of
the anomaly on the surface of a circle (Griffin 1949; Pick et al.
1973).  Digitization  of  gravity  data  for  all  transformed  maps
were performed in a grid of 200 m. When the radius for com-
puting the mean is chosen suitably, it is possible, on the basis
of  the  character  of  the  anomalies  of  the  gravity  field  of  the
transformed map, to find out at least indirectly, whether we are
dealing  with  a  shallow  or  a deep  fault  structure,  and  to  esti-
mate its depth.

The  Linsser  method  (Linsser  1967a,b)  has  also  been  used

for  indicating  the  density  boundaries.  It  is  based  on  filtering
the anomalous field by means of a comparison of a  pre-deter-
mined  theoretical  anomalous  effect  of  a certain  model  in  the
measured gravity field (Šefara 1973, 1989). When solving the

directional characteristics of the anomalous gravity field, we
follow a model of the vertical density boundary (massive half-
space), which appears the most suitable for approximating lin-
ear geological structures. The defined indications of the verti-
cal density boundaries are the output data. If these indications
fall into certain lines, we can essentially interpret them as the
vertical, or slanted density boundary of a linear shape – fault.
If these indications on the maps are non-linear, then they fea-
ture more probably the presence of three-dimensional bodies.

The  maps  of  the  vertical  or  horizontal  gradient  represent

a significant  group  of  transformed  maps  suitable  for  solving
the  structural-tectonic  relationships.  In  the  vertical  gradient
(VG)  maps  we  find  a pair  of  bands  of  opposite  sign  values
over  the  sub-vertical  density  boundaries.  The  excess  masses
feature negative anomalies in the VG while the masses defi-
cient feature positive VG anomalies, (opposite to the input of
the total Bouguer gravity anomaly map). The vertical gradient
of the total Bouguer gravity anomaly is generally sensitive to
shallower density inhomogeneities, compared to the horizontal
gradient.  The  paths  of  the  signatures  of  tectonics  need  be
drawn on the boundary separating positive and negative anom-
aly bands. The VG responds to the density fill of the shallow
volumes with anomalies of signs opposite to those of the input
total Bouguer gravity anomaly map or the local anomaly map.

The  maps  of  the  horizontal  gradient  (HG)  normally  have

maxima over the subvertical density boundaries, which origi-
nate, for instance, above the margins of sedimentary basins or
above contacts of intrusive bodies (suppose these are not hori-
zontal),  as  well  as  above  fault  systems,  along  which  blocks
with varied density evolution were trapped next to each other
as  a result  of  tectonic  movements.  The  shape  of  the  gravita-
tional effects of such density boundaries implies that the abili-
ty of the HG to respond to such effect must be high for various
depth  ratios  of  the  boundaries.  The  boundaries  may  (or  may
not) be visible already on the surface of the earth and may (or
may not) continue to great depths exceeding the radius of the
analysed area of the computation point. Usually the HG maxi-
ma  arrange  themselves  on  the  map  into  bands.  The  paths  of
such bands are identical with the paths of centres of surfaces
of the subvertical density boundaries. The minima on the HG
maps represent blocks, in which the density changes are pre-
sented only in a vertical direction, if at all.

Detection of linear density boundaries

The suitability of the individual interpretation methods was

reviewed on a gravimetric and database file from the area of
western Slovakia, namely at the eastern margin of the Vienna
Basin,  Malé  Karpaty  Mts  horst,  in  the  Danube  Basin,  the
Považský Inovec Mts and the Tribeč Mts horsts (Fig. 2). For
detecting the regionally significant fault systems we have used
the map scale 1:500,000 (Fig. 2). To verify the details of the
geological pattern of the area of the Zohor-Plavec Trough that
is superposed over the system of the Leitha faults (Fig. 2) and
in  the  area  of  the  Považie  fault  system  (Figs. 3, 4)  we  have
originally used the map scale of 1:100,000.

background image

NEO-ALPINE LINEAR DENSITY BOUNDARIES                                                                237

Linear density inhomogeneities indicated by various types
of regional gravimetric maps

Map of total Bouguer gravity anomalies

The figure 3A documents the distribution of the linear gravi-

ty  elements,  as  well  as  of  the  low-density  and  high-density
masses  in  the  western  part  of  the  Western  Carpathians.  The
NE-SW trending eastern margin of the Vienna Basin is particu-

larly pronounced at the boundary with the Malé Karpaty Mts
horst, as are the boundaries of the Malé Karpaty Mts horst and
the Považský Inovec Mts horst against the Danube Basin. The
ENE-WSW  oriented  margin  of  the  southern  and  northern
boundary of the Blatné Depression of Danube Basin (transver-
sal Cífer fault and the Kátlovce fault, of the same direction as
the Brezová and Dobrá Voda fault system), as well as the fault
system at the boundary between the Rišňovce Depression of
the Danube Basin and the Bánovce Depression are also appar-

Fig. 2. The main structural and tectonic features of the western part of the Western Carpathians. The background of the figure is a scheme
of the residual gravity map (R = 12,000 m with a grid of 200 m). Red colour represents positive values of gravity anomalies. Blue repre-
sents negative values.

background image

238                                                                                               BIELIK et al.

Fig. 

3.

 Regional 

gravimetric 

maps. 

A

 –

 map 

of 

total 

Bouguer 

gravity 

anomalies 

(after 

Šefara 

et 

al. 

1987, 

the 

values 

of 

gravity 

anomalies 

vary 

from 

—40 

to 

+34 

mGal

and 

map 

of 

indications 

of

vertical 

density 

boundaries 

[Linsser, 

2000 

and 

∆σ

 =

 150 

kg.m

—3

the 

 grid 

of 

gravity 

values 

is 

200 

m, 

size 

of 

marks 

is 

in 

acc

ordance 

with 

the 

size 

of 

parameters 

E

 and 

C

 defined 

by 

Lins-

ser 

(1967a,b) 

and 

Šefara 

(1973)], 

B

 –

 map 

of 

residual 

gravity 

anomalies 

(R 

4000 

with 

a grid 

of

 200 

m, 

the 

values 

of 

gravity 

anomalies 

vary 

from 

—6 

to 

+8 

mGal

 ), 

C

 –

 map 

of 

vertical

gradient 

[R 

4000 

with 

a grid 

of 

200 

m, 

the 

values 

vary 

from

 —5200 

to 

+5500 

(1 

Eötvös 

mgal/10 

km 

10

—9

s

—2

], 

D

 –

 map 

of 

horizontal 

gradient 

(R 

3000 

with 

a grid 

of 

200 

m,

 the

values 

vary 

from 

+1 

to 

+77 

E).

background image

NEO-ALPINE LINEAR DENSITY BOUNDARIES                                                                239

ent  (Fig. 2).  The  picture  of  the  southern  part  of  the  territory
documents the presence of high-density masses in the Koláro-
vo  anomaly  area,  whereby  the  effect  of  the  Transdanubian
Range  Unit  is  pronounced  only  to  the  east  of  Komárno  (the
Komárno block sensu Hrušecký 1999).

Map of indications of vertical density boundaries – Linsser

This map (Fig. 3A) well documents the deep and the shal-

low boundaries, the linear course of which entitles us to inter-
pret  them  as  neo-Alpine  brittle  deformations  –  faults.  The
fault boundary of the Malé Karpaty Mts horst with respect to
the Vienna Basin (the Leitha fault system) and the Blatné De-
pression of the Danube Basin (the Malé Karpaty fault) are eas-
ily observable. Next, the Považie and Ripňany faults are clear-
ly  visible  and  mark  the  eastern  and  western  slopes  of  the
Považský Inovec Mts horst. In the western part of the Gabčík-
ovo  Depression,  the  NNE-SSW  oriented  systems  of  Cífer
faults dipping towards the west are particularly pronounced, as
well  as  the  Galanta  faults  dipping  towards  the  east  and  they
represent  margins  of  the  Ú any  elevation  (sensu  Hrušecký
1999). Towards the south, in the Hungarian part of the basin,
we  assume  a connection  to  the  Mihályi  elevation  which  is
bounded by the Répce fault system (sensu Tari et al. 1992).

The Tribeč Mts horst boundary is also well documented, by

the  Ve ké  Zálužany  fault  system  in  the  west  and  by  the
Mojmírovce fault system in the east (Fig. 2). The Komjatice
Depression  boundary  is  formed  by  the  Mojmírovce  faults  in
the north-east and by the Šurany fault system in the south-east,
in the continuation of which the Kolárovo faults are located in
the  Gabčíkovo  Depression,  with  the  same  NW  dip  (Hók  &
Ivanička 1996). The picture of the eastern part of the Danube
Basin is unclear. In the prolongation of the Ács-Komárno fault
system,  there  are  faults  limiting  the  eastern  margin  of  the
Kolárovo—Pozba  horst  of  the  NE—SW  direction  (Hrušecký
1999).  The  Hurbanovo  fault,  or  the  northern  margin  of  the
Transdanubian Range Unit are only partly visible.

Map of residual anomalies

The  residual  anomaly  map  with  the  radius  of  taking  the

mean 4 km (Fig. 3B) documents the deep fault boundary of the
eastern margin of the Vienna Basin with respect to the Malé
Karpaty  Mts  horst,  characterizing  the  boundary  between  the
Eastern  Alpine  and  Western  Carpathian  units  along  the  left-
lateral shear zone – the Leitha fault system (sensu Marko &
Jureňa 1999).

Next we easily trace the pronounced boundary at the eastern

slopes  of  the  core  mountains  horsts:  Malé  Karpaty  Mts,
Považský  Inovec  Mts  and  Tribeč  Mts  (Malé  Karpaty,
Rišňovce and Mojmírovce fault systems). Unpronounced are
the fault systems in the basement below the Danube Basin fill.
The  elevation  structures  of  the  Ú any  and  Kolárovo-Pozba
(Hrušecký 1999) are indicated only partly, like as the Trans-
danubian  Range  Unit  in  the  eastern  part  of  the  basin.  One
could conclude, that the map pronounces the deep-seated Neo-
gene  faults  at  the  eastern  slopes of  the  core  mountains com-

pensating  the  movement  along  the  listric  décollement  at  the
boundary of the rigid and ductile part of the crust during the
Danube Basin opening (the Wernike’s model used for the for-
mation of the Danube Basin sensu Horváth 1993; Lankreijer et
al. 1995). The prolongation of these faults in the central part of
the basin is indistinguishable, clearly due to the disturbing ef-
fect of the sedimentary fill of the Danube Basin, which reach-
es thickness of up to 8 km (Kilényi & Šefara 1989).

Map of vertical gradients

On the map of vertical gradients with a mean radius of 3 km

(Fig. 3C) there are linear inhomogeneities  – faults indicated
by the contact of negative and positive anomalies. On the map,
the boundary at the eastern margin of the Vienna Basin is dem-
onstrated with a pronounced signature of the Leitha faults in
the area of the Zohor—Plavec graben at the western margin of
the Malé Karpaty Mts horst. The next very pronounced con-
tact represents the fault boundary of the western margin of the
Považský  Inovec  Mts  horst  (Považie  faults)  and  the  western
margin  of  the  Tribeč  Mts  horst  (Ve ké  Zálužany  fault).  The
Malé Karpaty and Ripňany fault system at the eastern margin
of the core mountains is less clearly (Fig. 2).

On the other hand, the NW—SE oriented linear elements of

the  same  intensity  multiply;  these  can  be  interpreted  as
a documentation  of  structural  deformations  (faults,  flexures)
known  only  in  the  youngest  sediments  of  the  Danube  Basin
(Hók et al. 1999). The projection of the margin of the Trans-
danubian  Range  Unit  onto  the  surface  is  apparent  with  the
same intensity in the area of the Hurbanovo fault zone. If the
map of the residual anomalies is compared with the map of the
vertical gradient, it seems that the vertical gradient documents
much  better  the  younger  and  shallower  faults  and  structural
deformations (flexures due to compaction of sediments of var-
ious  grain  size)  in  the  sedimentary  fill  of  the  Vienna  and
Danube Basins in Slovak territory, that is the tectonics of the
Upper Miocene to Pliocene-Pleistocene age.

Map of the horizontal gradient

The horizontal gradient map (Fig. 3D), as was already noted

in the methodology, contains mainly the maxima above the ap-
pearances of subvertical density boundaries situated near the
margins of sedimentary basins in the western part of the West-
ern Carpathians. The map ignores the depth reached by faults
(and thus indirectly also their age and causes). All faults on the
peripheries of the core mountains are clearly visible: the Lei-
tha,  the  Malé  Karpaty,  the  Považie,  the  Rišňovce,  the  Ve ké
Zalužany  and  the  Mojmírovce  fault  systems  separating  the
partial  depocentres  of  the  Danube  Basin:  the  Blatná,  the
Rišňovce, and the Komjatice depression (Vass et al. 1990; Hók
et al. 1999). The interesting elements include the N-S running
of  subvertical  boundaries  (depressions)  in  the  central  part  of
the  basin  that  can  be  compared  to  the  direction  of  the  Cífer
and Galanta  faults,  and  the  boundary  of  NE—SW  direction
comparable  with  the  Čertovica-Mojmírovce  fault  system
(Hrušecký 1999).

background image

240                                                                                               BIELIK et al.

Linear density inhomogeneities indicated by various types
of local gravimetric maps

The Zohor-Plavec graben area

As on the regional gravimetric maps (Fig. 3A—D), the sig-

nificant element on the detailed (local) gravimetric maps is the

Leitha faults of NE-SW direction (Fig. 4A—C). On the map of
indications of density boundaries – Linsser (Fig. 4C), as well
as on the residual anomaly map (Fig. 4A), however, we also
find  the  crosswise  physical  boundaries  interpreted  as  older
faults of the NW-SE direction activated during the early neo-
tectonic stage of development of the studied region. The inter-
esting elements also include the boundaries located in the up-

Fig.  4.  Local  gravimetric  maps  in  the  Zohor-Plavec  graben  area
A – map of residual anomalies (R = 2000 m with a grid of 200 m,
the  values  of  gravity  anomalies  vary  from  —1.4  to  +1.6  mGal,  a
step  of  isolines  is  0.2  mGal),  B  –  map  of  vertical  gradient  (R  =
2000 m  with  a grid  of  200  m,  the  values  of  gravity  anomalies
vary  from  —1200 to +2500 E, the step of isolines is 200 E), C –
map  of  indications  of  vertical  density  boundaries  [Linsser,  h  =
1000 m and 

∆σ

 = 100 kg.m

—3

; the grid of gravity values is 200 m,

size of marks is in accordance with the size of parameters E and C
defined by Linsser (1967a,b) and Šefara (1973)]. The background
of the map is the map of total Bouguer gravity anomalies (after Še-
fara et al. 1987, the values of gravity anomalies vary from —33 to
+24 mGal, the step of isolines is 3 mGal).

background image

NEO-ALPINE LINEAR DENSITY BOUNDARIES                                                                241

per left half of the figure, probably representing the structural
pattern (folds) of the Northern Calcareous Alp nappes in the
pre-Neogene basement of the Vienna Basin (Fig. 4C). The re-
sidual  anomaly  map  (Fig.  4A)  best  documents  the  tectonic
components  within  the  graben  (division  into  partial  depres-
sions), whereas the vertical gradient map (Fig. 4B) indicates,
the presence of young tectonic structures with an ENE-WSW
direction, as well as the presence of the NE-SW faults.

The Považie fault system

The dominant elements on the local gravimetric maps (Fig.

5A—C) are the inhomogeneties in the N-S and NNE-SSW di-
rection  (the  Považie  fault).  These  inhomogeneities  –  faults
are accompanied also by faults of the NW-SE to ENE-WSW
direction. The most pronounced is the Koplotovce fault, which
is  located  in  the  continuation  of  the  Kátlovce  fault  system.
Since,  apart  from  the  presence  of  the  NNE-SSW  faults,  the
vertical gradient map (Fig. 5A—B) also indicates, the presence
of structures with the ENE-WSW direction, clearly visible on

the map of density boundary indications – Linsser (Fig. 5C),
we consider that they are associated with the Pliocene-Quater-
nary reactivation.

Neo-Alpine development of the Western Carpathians
as indicated by means of different transformed gravity
maps – a discussion

The  neo-Alpine  development  of  the  Western  Carpathians

and the adjacent part of the Pannonian back arc basin is char-
acterized by several stages of development:

– In the Early Miocene the oblique collision of the West-

ern Carpathian orogen with the Bohemian Massif played the
key role. The compression initiated the northward movement
of the ALCAPA microplate (ALCAPA – Alpine-Carpathian-
Pannonian  block  assemblage)  eastern  segment  and  caused
fold—nappe tectonics with formed the accretionary prism of the
Outer Carpathians. Dextral shears with an ENE—WSW direc-
tion were activated in the same stress field. In the area of the

Fig. 5. Local gravimetric maps in the Považie fault system region. A – map of residual gravity anomalies (R = 2000 m with a grid of 200 m,
the values of gravity anomalies vary from —1.4 to +3 mGal, the step of isolines is 0.3 mGal), B – map of vertical gradient (R = 2000 m with
a grid of 200 m, the values of gravity anomalies vary from —3400 to +6000 E, the step of isolines is 600 E), C – map of indications of verti-
cal density boundaries [Linsser, h = 1000 m and 

∆σ

 = 100 kg.m

—3

; the  grid of gravity values is 200 m, size of marks is in accordance with

the  size  of  parameters  E  and  C  defined  by  Linsser  (1967a,b)  and  Šefara  (1973)].  The  background  of  the  map  is  the  map  of  total  Bouguer
gravity anomalies (after Šefara et al. 1987, the values of gravity anomalies vary from —6 to +21 mGal, the step of isolines is 3 mGal).

background image

242                                                                                               BIELIK et al.

Central Western Carpathians, they led to opening of sedimenta-
ry basins of wrench fault furrow type (Kováč et al. 1989; Kováč
& Márton 1998; Kováč et al. 1997, 1998). These tectonic struc-
tures can be compared with the oldest detected linear density in-
homogeneities  –  faults  in  the  studied  area  (the  Brezová  and
Dobrá Voda, Kátlovce and the transversal Cífer fault systems),
the activity of which is assumed from the Eggenburgian to Kar-
patian. They are manifested in the total Bouguer gravity anoma-
ly map, in the vertical density boundary map – Linsser and par-
tially in the residual anomaly map (Figs. 2, 3).

– At the end of the Early and beginning of the Middle

Miocene the ALCAPA microplate  extruded eastward (Ratsch-
bacher  et  al.  1991a,b).  The  disintegration  of  the  microplate
was accompanied by the separation of the Western Carpathian
units moving in the NE direction from the Alpine units. The
zone of the Leitha faults at the eastern margin of the present
Vienna Basin is regarded as the boundary between the units of
the Eastern Alps and Western Carpathians. The extrusion was
accompanied by initial rifting, mostly by opening of pull-apart
type  depocentres  in  the  Vienna  Basin  and  in  the  Blatné  De-
pression  of  the  Danube  Basin  (Royden  1993;  Fodor  1995;
Lankreijer et al. 1995; Kováč et al. 1997; Hrušecký 1999).

The area of the left lateral shears (transform system of the

Leitha  faults)  makes  up  for  a pronounced  physical  boundary
between  the  Eastern  Alpine  and  Western  Carpathian  units,
which is well documented by all gravimetric maps. Its amplifi-
cation in the vertical gradient map indicates at the same time
its  recent  activity  documented  also  by  other  geological  and
geophysical  methods  (Gutdeutsch  &  Aric  1988;  Hók  et  al.
2000). It is well known, that here we are dealing with one of
the most pronounced geophysical anomalous zones – discon-
tinuities  in  the  crust  of  the  Western  Carpathians  (Labák  &
Brouček 1996; Šefara et al. 1998; Hók et al. 2000).

– In the Middle Miocene a large back-arc extension took

place, which is manifested by a synrift stage of the Vienna and
Danube Basins development (Lankreijer et. al. 1995; Lankreijer
1998; Kováč 2000). On the basis of the seismic picture, in the
Slovak part of the Danube Basin (Hrušecký 1999), as in its Hun-
garian part (Tari et al. 1992; Horváth 1993) the core mountain
blocks tilting mechanism is applied above a deep zone of de-
tachment (Wernicke’s model of simple shear (Wernicke 1985;
Lankreijer  1998)).  We  regard  the  brittle  deformations  at  the
eastern margin of the core mountains as the main normal faults,
their  respective  pair  systems  being  the  faults  at  the  western
boundary of the Považský Inovec Mts horst, the Ú any elevation
and the  Tribeč  Mts  horst.  These,  however,  do  not  have  such
a deep reach into the pre-Neogene basement.

The  linear  structures  of  the  gravity  field  –  identical  with

the course of the main faults of the synrift stage in the studied
region are the Malé Karpaty, the Ripňany and Galanta faults,
and the Mojmírovce faults systems. Their effect is clearly visi-
ble in the residual anomaly map, where, however, the prolon-
gation  of  the  Ripňany  faults  into  the  Galanta  fault  system  is
not manifested, because the Galanta fault system is covered by
the very thick fill of the Danube Basin, as in the case of the
prolongation of the Mojmírovce fault system into the Koláro-
vo system (Figs. 2, 3).

– During the Late Miocene to Pliocene, in period of the

postrift  thermal  subsidence  the  function  of  faults  was  pro-
nounced at the margins of the rising core mountains (generally
of NNE-SSW to NE—SW directions). In the Pliocene to Qua-
ternary, the period of tectonic inversion of the back-arc basin
(Horváth 1993; Bada 1999) a new group of tectonic structures
entered  the  game.  These  fault’s  are  limited  to  the  Pliocene—
Quarternary sedimentary area of the Slovak part of the Danube
Basin  (flexures,  shallow  faults).  The  Pliocene  and  the  Early
Pleistocene  stress  field  can  be  characterized  by  extension  in
the NW—SE direction. Following the Early Pleistocene an ex-
tension of the NE—SW direction takes place (Hók et al. 2000;
Kováč et al. in press).

The pronounced activity of faults at the margins of the core

mountains is well documented by the horizontal gradient map
(Fig. 3D). On the contrary, the vertical gradient map (Fig. 3C)
pronounces faults that were active in the Pliocene-Quarternary
period. The function of these faults is significantly manifested
at  the  western  margin  of  the  core  mountains  (the  Leitha,  In-
ovec, Ve ké Zálužie faults).

Conclusions

Gravimetric methods can be used effectively to indicate lin-

ear density boundaries, which can be interpreted as rigid defor-
mations – faults of the neo-Alpine period of orogen forma-
tion  (complemented  by  other  geophysical  and  geological
methods).

The  map  of  indications  of  vertical  density  boundaries –

Linsser, and the horizontal gradient map (Fig. 3A) pronounces
all fault boundaries independently of age and depth. Its advan-
tage  is  that  it  also  documents  the  faults  that  are  covered  by
a thick sedimentary fill of the Neogene basins.

The  residual  anomaly  map  (Fig.  3B)  pronounces  the  Neo-

gene (Miocene) faults reaching greater depths, they originated
in the stage of the initial rifting and in the synrift stage of basin
formation in the western part of the Carpathians (Vienna and
Danube Basins).

The vertical gradient map documents younger and shallower

faults at the margins of the core mountains, as well as structur-
al deformations (flexures caused by compaction of sediments
of various grain size) in the sedimentary fill of the Vienna and
Danube Basins in the territory of Slovakia. There faults repre-
sent the tectonics of the Late Miocene to Pliocene-Pleistocene
time.

Acknowledgments:  The authors are grateful to the Ministry
of Education of the Slovak Republic (MŠ SR) for the financial
support in terms of the trilateral project of the Austrian—Slo-
vak—Hungarian co-operation: The neo-Alpine formation of the
Alpine—Carpathian—Pannonian region and its influence on en-
vironmental risks. The VEGA Grants No.: 2/7060/20, 1/7087/
20, 2/7215/20 and 2/7068/20 are acknowledged too. The au-
thors are also grateful to J. Šefara, D. Plašienka and S. Wyb-
raniec,  whose  valuable  comments  helped  us  to  improve  the
presentation of our results.

background image

NEO-ALPINE LINEAR DENSITY BOUNDARIES                                                                243

References

Bada G. 1999: Cenozoic stress field evolution in the Pannonian Ba-

sin  and  surrounding  orogens.  NSG  publication  No.  990101,
Amsterdam, 204.

Bielik  M.  l982:  Two-dimensional  filtration  of  gravitational  anoma-

lies. Contr. Geophys. Instit. Slov. Acad. Sci., 13, 99—110.

Blakely R.J. 1996: Potential theory in gravity and magnetic appli-

cations. Cambridge University Press, Cambridge, New York,
1—354.

Fodor  L.  1995:  From  transpression  to  transtension:  Oligocene—Mi-

ocene structural evolution of the Vienna basin and the East Al-
pine-Western  Carpathian  junction.  Tectonophysics  242,
151—182.

Fusán O., Biely A., Ibrmajer J., Plančár J. & Rozložník L. 1987: The

basement of Tertiary of the Inner Western Carpathians. GÚDŠ,
Bratislava, 123.

Garland  G.D.  1979:  Introduction  to  Geophysics  (2

nd

  ed.),  W.B.

Saunders Comp. Toronto, 1—494.

Griffin  W.R.  1949:  Residual  Gravity  in  Thery  and  Practice.  Hous-

ton. Geophysics 14, 39.

Griffiths D.H. & King R.F. 1981: Applied geophysics for geologists

and  engineers:  The  elements  of  geophysical  prospecting  (2nd
ed.). Pergamon Press, New York, 1—230.

Gutdeutsch  R.  &  Aric  K.  1988:  Seismicity  and  neotectonics  of  the

East Alpine-Carpathian and Pannonian area. AAPG Memoir 45,
183—194.

Hók J. & Ivanička J. 1996: Extension tectonics of the south-eastern

margin of the Tríbeč Mts. Slovak Geol. Mag. 1, 59—63.

Hók J., Bielik M., Vanko J., Kováč P. & Šujan M. 2000: Neotectonic

character of  Slovakia.  Miner.  Slovaca  32,  459—470  (in  Slovak
with English summary).

Hók  J.,  Kováč  M.,  Kováč  P.,  Nagy  A.  &  Šujan  M.  1999:  Geology

and tectonics of the NE part of the Komjatice Depression. Slo-
vak Geol. Mag
. 5, 187—199.

Horváth F. 1993: Towards a mechanical model for the formation of

the Pannonian basin. Tectonophysics 226, 333—357.

Hrušecký  I.  1999:  Central  part  of  the  Danube  Basin  in  Slovakia:

Geophysical  and  geological  model  in  regard  to  hydrocarbon
prospection. EGRSESpec. Issue, 6, 1, 2—55.

Kilényi  E.  &  Šefara  J.  (Eds.)  1989:  Pre-Tertiary  basement  contour

map  of  the  Carpathian  Basin  beneath  Austria,  Czechoslovakia
and  Hungary.  Eötvös  Lóránd  Geophysical  Institute,  Budapest,
Hungary.

Kováč M. 2000: Geodynamic, paleogeographic and structural evolu-

tion  of  the  Carpathian-Pannonian  region  in  Miocene:  new  view
on the Neogene basins of Slovakia. VEDA Bratislava, 1—203.

Kováč M. & Márton E. 1998: To rotate or not to rotate: Palinspastic

reconstruction  of  the  Carpatho-Pannonian  area  during  the  Mi-
ocene. Slovak Geol. Mag. 4, 75—85.

Kováč M., Baráth I., Holický I., Marko F. & Túnyi I. 1989: Basin

opening in the Lower Miocene strike-slip zone in the SW part
of  the  Western  Carpathians.  Geol.  Zbor.  Geol.  Carpath.  40,
37—62.

Kováč M., Bielik M., Lexa J., Pereszlényi M., Šefara J., Túnyi I. &

Vass  D.  1997:  The  Western  Carpathian  Intramountaine  ba-
sins. In: Grecula P., Hovorka D. & Putiš M. (Eds.): Geological
evolution of Western Carpathians. Miner. Slovaca Monograph
43—64.

Kováč M., Nagymarosy A., Oszczypko N., Ślączka A., Csontos L.,

Mărun eanu  M.,  Matenco  L.  &  Márton  E.  1998:  Palinspastic
reconstruction  of  the  Carpathian-Pannonian  region  during  the
Miocene.  In.  Rakús  M.  (Ed.):  Geodynamic  evolution  of  the
Western Carpathians. Miner. Slovaca Monograph 189—217.

Kováč M., Bielik M., Hók J., Kováč P., Kronome B., Labák P., Moc-

zo P., Plašienka D., Šefara J. & Šujan M. 2001: Seismic activity

and neotectonic evolution of the Western Carpathians. In: Hor-
váth F., Cloetingh S. & Bada G. (Eds.): Neotectonics and seis-
micity  of  the  Pannonian  Basin  and  surrounding  orogens.  A
memoir on the Pannonian basin. EGS, Spec. Publ. 1 (in press).

Ku C.C., Telford W.M. & Lims H. 1971: The use of linear filtering

in gravity problems. Geophysics 36, 1174—1203.

Labák  P.  &  Brouček  I.  1996:  Catalogue  of  macroseismically  ob-

served  earthquakes  on  the  territory  of  Slovakia.  (Version
1996). Geophys. Instit. Slov. Acad. Sci., Bratislava, Manuscript
GFÚ SAV
, 15.

Langenheim  V.E.  1995:  Gravity  of  the  New  Madrid  Seismic  Zone

–  A preliminary  Study.  U.S.  Geological  survey  professional
paper 1538-L
, Washington, 18.

Lankreijer A. 1998: Rheology and basement control on extensional

basin  evolution  in  Central  and  Eastern  Europe:  Variscan  and
Alpine-Carpathian-Pannonian  tectonics.  Vrije  Universiteit,
NSG Publ. No. 980101
, 158.

Lankreijer  A.,  Kováč  M.,  Cloetingh  S.,  Pitoňák  P.,  Hlôška  M.  &

Biermann  C.  1995:  Quantitative  subsidence  analysis  and  for-
ward  modelling  of  the  Vienna  and  Danube  Basins.  Tectono-
physics
 252, 433—451.

Lillie  J.R.  1999:  Whole  Earth  Geophysics.  Prentice  Hall,  Upper

Saddle River, New Jersey, 1—361.

Lillie  J.R.,  Bielik  M.,  Babuška  V.  &  Plomerová  J.  1994:  Gravity

modelling  of  the  Lithosphere  in  the  Eastern  Alpine—Western
Carpathian—Pannonian  Basin  Region.  Tectonophysics  231,
215—235.

Linsser  H.  1967a:  Transformation  of  magnetometric  data  into  tec-

tonic  maps  by  digital  template  analysis.  Geophys.  Prospect.
XVI, 179—207.

Linsser  H.  1967b:  Investigation  of  tectonic  by  gravity  detailing.

Geoph. Prosp. XV, 480—515.

Marko  F.  &  Jureňa  V.  1999:  Fault  tectonics  at  the  eastern  part  of

the Vienna Basin and the Malé Karpaty Mts horst. Miner. Slo-
vaca
 5—6, 513—524 (in Slovak).

Meskó A. 1985: Digital filtering: applications in Geophysical explo-

ration for oil. Akadémiai Kiadó. Budapest, 1—635.

Murata Y. & Noro H. 1994: Effective imaging of the gravity data us-

ing  topographic  and  geological  data.  Rep.  Geol.  Surv.  Japan
280, 63—73.

Nemesi L., Šefara J., Varga G. & Kováczsvölgyi S. 1996: Result of

deep  geophysical  survey  within  the  framework  of  the  DAN-
REG project. Geophys. Trans. 41, 133—159.

Nettleton  L.L.  1971:  Elementary  gravity  and  magnetics  for  geolo-

gists and geophysicists. SEG, Monograph series 1, Tulsa, 121.

Parasnis  D.S.  1967:  Principles  of  applied  Geophysics.  (2

nd

  ed.),

Methuen & Co LTD., London, 1—176.

Pick M., Pícha J. & Vyskočil V. 1973: Theory of the Earth’s gravity

field. Academia, Praha, 1—538.

Ratschbacher L., Merle O., Davy Ph. & Cobbold P. 1991a: Lateral

extrusion in the Eastern Alps, Part 1. Boundary conditions and
experiments scaled for gravity. Tectonics 10, 245—256.

Ratschbacher L., Frisch W., Linzer H.G. & Merle O. 1991b: Lateral

extrusion  in  the  Eastern  Alps,  Part  2.  Structural  analysis.  Tec-
tonics
 10, 257—271.

Royden L.H. 1993: The tectonic expression slab pull at continental

convergent boundaries. Tectonics 12, 303—325.

Šefara J. 1973: Interpretation of vertical density boundaries using a

map of gravity anomalies by means of digital computer. Sbor.
Geol. Věd. Řada UG
 11, 19—30.

Šefara J. 1989: Interpretation methods of gravimetry and their appli-

cation  for  research  of  structure  of  the  Western  Carpathians.
Doctor thesis. MS-Univerzity Komenského, Bratislava, 1—251.

Šefara  J.,  Kováč  M.,  Plašienka  D.  &  Šujan  M.  1998:  Seismogenic

zones  in  the  eastern  Alpine—Western  Carpathian—Pannonian
junction area. Geol. Carpathica 49, 247—260.

background image

244                                                                                               BIELIK et al.

Šefara J., Bielik M., Bodnár J., Čížek P., Filo M., Gnojek I., Grecula

P.,  Halmešová  S.,  Husák  .,  Janoštík  M.,  Král  M.,  Kubeš  P.,
Kurkin  M.,  Leško  B.,  Mikuška  J.,  Muška  P.,  Obernauer  D.,
Pospíšil  L.,  Putiš  M.,  Šutora  A.  &  Velich  R.  1987:  Structure-
tectonic  map  of  the  Inner  Western  Carpathians  for  the  prog-
noses  of  the  ore  deposits  –  geophysical  interpretations.
Explanation  to  the  collection  of  the  maps.  SGÚ  Bratislava-
Geofyzika  n.p.  Brno-UP,  k.p.  Liberec,  Manuscript,  
1—267  (in
Slovak).

Tari  G.,  Horváth  F.  &  Rumpler  J.  1992:  Styles  of  extension  in  the

Pannonian Basin. Tectonophysics 208, 203—219.

Torge W. 1989: Gravimetry. Walter de Gruyter, Berlin-New York.

1— 465.

Vass  D.,  Pereszlényi  M.,  Kováč  M.  &  Král  M.  1990:  Outline  of

Danube  basin  geology.  Földt.  Közl.,  Bull.  Hung.  Geol.  Soc.
120, 193—214.

Wernicke G. 1985: Uniform sense simple shear of continental litho-

sphere. Canad. J. Earth Sci. 22, 108—125.

Wybraniec  S.  1999:  Transformations  and  visualization  of  potential

field data. Polish Geological Institute Special papers 1, 1—88.