background image

                                                 281

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

GEOLOGICA CARPATHICA, 55, 4, BRATISLAVA, AUGUST 2004

281–298

THE ARCHITECTURE OF THE TROFAIACH PULL-APART BASIN

(EASTERN ALPS): AN INTEGRATED GEOPHYSICAL AND

STRUCTURAL STUDY

WILFRIED GRUBER

1

, REINHARD F. SACHSENHOFER

2

, NICOLA KOFLER

3

and KURT DECKER

4

1

Institute of Water Resources Management, Joanneum Research, Roseggerstraße 17, 8700 Leoben, Austria

Author for correspondence: Tel: +43 3842 47060 2241, Fax: +43 316 876 9 2241, E-mail: wilfried.gruber@joanneum.at

2

Department of Geological Sciences, University of Leoben, 8700 Leoben, Austria

3

Rohöl-Aufsuchungs Aktiengesellschaft, Schwarzenbergplatz 16, 1015 Wien, Austria

4

Institute of Geology, University of Vienna, Althanstrasse 14, 1090 Wien, Austria

 (Manuscript received April 4, 2003; accepted in revised form October 2, 2003)

Abstract: Numerous sedimentary basins including the Trofaiach Basin were formed along wrench corridors during the

Miocene lateral extrusion of the Eastern Alps. Because of its rhomboidal outline, a pull-apart mechanism was proposed

for the Trofaiach Basin already in the 1980s. However, the internal basin architecture is still widely unknown. To get a

better insight into basin formation during continental extrusion, the Trofaiach Basin was studied integrating different

geophysical techniques (gravity, seismics, magnetics), digital elevation models, microtectonic and maturity data. Basin

formation is related to the E–W trending Trofaiach strike slip fault, which enters the basin at its eastern tip. The northern

basin margin is controlled by a terminating branch of this fault, while the main movement was transferred through the

basin along subvertical faults in the central basin and along its southern rim. (Oblique) normal faults define the western

basin margin. The basin depth reaches a maximum of 800 to 900 m. A fluvial and shallow lacustrine environment was

interpreted from seismic facies and borehole data. Clinoform geometries and petrographic evidence indicate sediment

supply mainly from the South. Localized coal seams developed in different stratigraphic positions. Water depth probably

did not exceed 50 m. Deep lacustrine environments resulting from high subsidence rates are characteristic for many pull-

apart basins, but were not established in the Trofaiach Basin. Several erosional events are part of the evolution of the

basin. An early erosional phase followed southward tilting of the oldest basin fill and uplift of basement rocks north-west

of the basin. A second event caused a major erosional unconformity in the central basin. Finally, related to post-Middle

Badenian compression, more than 1 km of strata have been eroded.

Key words: Miocene, strike-slip tectonic, seismic, gravity, magnetic.

Introduction

The Miocene evolution of the eastern part of the Eastern Alps

is  controlled  by  lateral  extrusion  and  movement  of  crustal

blocks towards the east (Neubauer 1988; Ratschbacher et al.

1991;  Decker  &  Peresson  1996).  The  movements  occurred

along  sinistral  north-east  and  dextral  south-east  trending

strike-slip faults. A series of pull-apart basins and half-grabens

formed along the Noric Depression, one of the major sinistral

strike-slip zones (e.g. Neubauer et al. 2000; Fig. 1).

Mainly because of former coal mining activity, the geology

of some Miocene basins along the Noric Depression is fairly

well known. In contrast, very little is known about the archi-

tecture of the Trofaiach Basin, which does not host economic

coal deposits (Weber & Weiss 1983). The main sources of in-

formation  are  coal  mines  from  the  turn  of  the  19

th

  and  20

th

centuries  (Baumgartner,  Gimplach;  for  location  see  Fig. 2)

and three 400 to 550 m deep wells drilled between 1902 and

1951. In spite of the poor knowledge of the basin architecture,

the Trofaiach Basin was the first basin within the Eastern Alps

for  which  a  pull-apart  mechanism  was  proposed  (Nievoll

1985; Neubauer 1988). The main arguments for such a mecha-

nism  were  the  observed  sinistral  displacements  along  the

Trofaiach Fault and the rhombic shape of the basin.

In the present paper different geophysical methods (reflec-

tion seismics, gravimetry, magnetics) together with structural

geological investigations are used to reveal the architecture of

the basin. Prior to this, unpublished information on the three

deep wells and on some recently drilled shallow wells will be

presented. Data on the thermal maturity of the basin fill are

used to estimate the thickness of eroded rocks. Apart from re-

gional aspects, the investigation should provide better insights

into  the  evolution  of  small-scale  intramontane  basins  along

strike-slip faults.

Geological setting

The Miocene Trofaiach Basin is about 13 km long and up to

5 km wide (Fig. 2). The pre-Neogene basement is formed by

the Upper Austroalpine Greywacke Zone, which is composed

entirely  of  Paleozoic  rocks  (Neubauer  et  al.  1994).  Phyllite

and limestone are the prevailing lithotypes with porphyroids,

metabasites, and higher grade metamorphic rocks occurring as

well.  Variscan-Alpine  metamorphic  rocks  of  the  Middle

Austroalpine Unit (gneiss, mica schist, quartzite) are exposed

in the southern and eastern study area (Fig. 2).

background image

282

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

The Trofaiach Basin formed at the western end of the E–W

trending left lateral Trofaiach Fault (Vetters 1911), which is

part  of  a  system  of  en-echelon  strike-slip  faults  along  the

Noric Depression (Metz et al. 1978, 1979). The 30 km long

Trofaiach Fault was active in Late Cretaceous times as a duc-

tile shear zone and was reactivated as a brittle shear zone dur-

ing Miocene times (Neubauer et al. 1995; Nievoll 1985).

Due  to  limited  exposures,  the  basin  fill  and  its  internal

structure are poorly known. According to Petrascheck (1924),

flat lying reddish conglomerates interlayered by clay and red

paleo-soil north-west of Trofaiach represent the oldest rocks.

Except for this area, the basin fill generally dips towards the

south-east and is dominated by shale, sandstone, and thin con-

glomeratic layers. Tuffitic horizons are also present. The bed-

ding dips at higher angles (up to 30°) along the north-western

basin margin and is lower (about 10°) near the fault controlled

southern margin of the basin. Gently westward dipping sand-

stones were observed in the basin centre (Hoefer 1902a).

Thin SSE dipping (~25°) coal seams occur in a deep strati-

graphic position near Baumgartner (“lower seam”) and in a

higher position near Gimplach (“main seam”; Hoefer 1902a).

The “lower seam” is accompanied by sapropelic shale with

numerous shells. The “main seam” consists of two coal beds

each about 1 m thick separated by a shaly and sandy succes-

sion. Hoefer (1902a) mentioned an “upper seam” a few hun-

dred meters above the “main seam”. Thin coal seams in even

higher  stratigraphic  positions  are  known  to  exist  in  different

parts of the Trofaiach Basin.

A  tuff  layer  in  borehole  A5  (252  m  above  sea  level)  was

dated using the zircon fission track technique and yielded an

age  of  17.3±1.2  Ma  (I.  Dunkl,  pers.  comm.).  This  indicates

that  the  basin  fill  has  a  similar  age  to  that  of  neighbouring

Karpatian (late Early Miocene) to Badenian (early Middle Mi-

ocene) basins along the Noric Depression (e.g. Sachsenhofer et

al. 2000; Weber & Weiss 1983).

Borehole data

Lithologs  of  the  boreholes  Dirnsdorf,  Trofaiach 1,

Trofaiach 2,  KB1–3  and  A5  are  shown  in  Fig.  3.  Unfortu-

nately  none  of  the  boreholes  was  further  investigated  by

wireline logs.

Very  little  is  known  about  the  150 m  deep  borehole

Dirnsdorf,  which  drilled  through  two  thin  seams  at  27 m

(0.65 m thick) and 48 m (0.45 m) depth. Although the drill site

is located only about 300 m from the western basin margin, it

did not reach the basement.

Trofaiach 1 investigated the sedimentary sequence beneath

the  “main  seam”  horizon  near  Gimplach  (Hoefer  1902a).  It

Fig. 1. Sketch map of the study area together with Neogene faults (modified after Decker & Peresson 1996 and Neubauer et al. 2000). The

insert shows the study area within the Eastern Alps. The Noric Depression is indicated as a sinistral strike-slip corridor bounding an eastward

extruding wedge.

background image

                                                 283

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

Fig. 2. Simplified geological map of the study area showing well locations and former coal mines within the Trofaiach Basin.

drilled mainly shale, coaly shale, several thin layers of sand-

stone and reached the phyllitic basement at a depth of 450 m.

Trofaiach 2 was planned to investigate the succession above

the  “main  seam”  and  penetrated  shale,  some  coaly  shale,  a

seam 0.3 m thin in 196 m depth and several layers of sand-

stone and conglomerate (Hoefer 1902). Gas eruptions (meth-

ane?)  were  reported  at  depths  of  268 m  (conglomerate)  and

280 m (shale; Weber & Weiss 1983).

Boreholes KB1 to KB3 are located near the basin centre and

drilled grey sandstone, siltstone and claystone. A number of

fault  planes,  either  with  horizontal  slickenside  lineation  or

with  steeply  dipping  vertical  lineations,  were  penetrated  in

KB1 and KB2.

Borehole A5 is located in the narrow Laintal Valley and is

555 m  deep  (Lackenschweiger  1951).  Nevertheless  the  base-

ment was not reached, clearly indicating steep basin margins.

The sedimentary succession is dominated by shale, calcareous

shale  and  sandstone.  In  comparison  to  boreholes  Trofaiach 1

and 2 in the central basin, the proportion of sand is higher in A5.

Two tuff horizons more than 1 m thick and a few thin layers of

coal and coaly shale occur as well. Conglomerates near the base

of  the  borehole  were  interpreted  as  representing  a  basal  con-

glomerate. The drilled rocks are generally gently dipping (10–

20°), but are steeper in a heavily faulted zone between 437 and

452 m  depth.  A  steeply  dipping  calcite  filled  fault  was  pen-

etrated in 430 m depth (see insert in Fig. 3). Left lateral motion

was reconstructed from fibrous calcite observed in drill cores.

Thermal maturity

Vitrinite  reflectance  of  surface  samples  and  samples  from

wells A5 and KB1–3 were determined following established

procedures (Taylor et al. 1998). Results are presented as ran-

dom reflectance values (R

r

). Additional data were taken from

Sachsenhofer (1989).

Vitrinite  reflectance  in  well  A5  decreases  upwards  from

about 0.55 to 0.40 % R

r

. In spite of the rather short depth in-

terval and the scatter of the data (Fig. 4), the reflectance trend

was used to estimate the thickness of eroded rocks. In a first

attempt linear and logarithmic trend lines were calculated and

extrapolated to a surface value of 0.2 % R

r

. The results sug-

gest that rocks 1000 m to 1500 m thick were removed above

the youngest outcropping sediments. The basin modelling ap-

proach was also applied, using PetroMod 1D software (Yalcin

et al. 1997) and the subsidence history shown in the insert of

Fig. 4. A good fit is obtained assuming a paleoheat flow of

85 mW/m

2

 and erosion of rocks 1200 m thick. Note that the

short depth interval results in a considerable uncertainty of the

heat flow estimate (±25 %). However, an elevated heat flow

in the Trofaiach area fits well with paleoheat flow maps for

Miocene times (Sachsenhofer 2001).

Along  a  surface  profile  in  the  central  Trofaiach  Basin,

vitrinite  reflectance  increases  from  0.32 % R

r

  in  the  north-

west  (Baumgartner)  to  0.41 % R

r

  in  the  south-east  (Fig. 4).

Even  higher  values  occur  in  the  Leoben  Basin.  Within  the

background image

284

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

Trofaiach Basin the oldest sediments are exposed at the north-

western  basin  margin  and  are  characterized  by  the  lowest

reflectivity. This suggests that the south-eastward increase in

maturity  is  controlled  by  lateral  heat  flow  variations  rather

than  by  the  stratigraphic  position  of  the  rocks  (see  also

Sachsenhofer 2001).

Geophysical investigations

A  published  Bouguer  gravity  map  of  Styria  includes  the

Trofaiach Basin (Winter 1993), but is not detailed enough for

this study. Therefore, in a first step, the resolution of this sur-

vey had to be improved by measuring additional gravity sta-

tions. Preliminary results of the gravity survey were used to

find the best location for two reflection seismic profiles. Addi-

tional gravity data were acquired along the main seismic pro-

file. Finally, a magnetic survey was conducted. The primary

aims  of  the  latter  were  to  support  the  interpretation  of  the

gravity data and to track the strike of fault planes interpreted

in the seismic section.

Reflection seismic lines

Data acquisition and processing

In May 2000 two shallow reflection seismic lines were ac-

quired. The locations of the seismic sections are shown in Fig.

Fig. 3. Lithostratigraphic profiles of boreholes in the Trofaiach Basin (after Hoefer 1902a,b; Petrascheck 1924; Lackenschweiger 1951). For

location see Fig. 2. Insert shows a photograph of fibrous calcite indicating post sedimentary sinistral movements along the Trofaiach Fault.

2. The NNW–SSE directed profile TR0001 is 4 km long. It

starts about 250 m south of the northern basin margin, crosses

the  depocenter  of  the  basin,  and  ends  at  the  southern  basin

margin. Spacing of the receiver stations was fixed to 10 m and

an accelerated drop weight was the seismic source.

Data processing was performed on a Unix based worksta-

tion by using the Focus/Disco software package and followed

standard procedures for land seismic data. Wave equation mi-

gration was performed on line TR0001 using a velocity model

slightly  faster  (105 %)  than  the  stacking  velocity.  The  final

display  of  time  sections  refers  to  a  datum  plane  of  +650 m

above sea level.

Seismic interpretation

The PC based SeisX software package was used for geo-

logical  interpretation.  Interpreted  horizons  are  denoted  in

capital  letters  (A–H),  faults  are  labelled  by  numbers  (1–5).

The stacking velocity was used for rough depth estimations.

Interval  velocities  calculated  from  stacking  velocities  are

2100 to 2500 m/s for upper complex rocks, 2700 to 3200 m/s

for  lower  complex  rocks  and  above  3800 m/s  for  basement

rocks.

On line TR0001 good information above the pre-Miocene

basement  is  provided  only  along  the  northern  part  of  the

transect,  where  it  is  represented  by  a  southward  dipping

baselap  surface.  The  phyllitic  basement  is  characterized  by

low reflectivity. The position of the top of the basement is fur-

background image

                                                 285

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

ther  constrained  by  exposures  near  the  northern  end  of  the

seismic  line  and  by  well  Trofaiach 1,  which  penetrated  the

basement at a depth of 450 m. In contrast to the north-western

basin margin, the southern margin is formed by steep faults.

This  interpretation  is  supported  by  exposures  of  basement

rocks south of station 480. The interpretation of the basin con-

figuration  between  stations  320  and  460  is  ambiguous.  The

absence of reflections below 500 m suggest a small horst at

station  380  which  separates  horizontal  reflections  of  the

depocenter in the north from southward dipping reflectors in

the south. However, the exact basement depth is unclear. The

Miocene basin fill is subdivided into a lower complex and an

upper complex by horizon E.

The  seismic  facies  of  the  lower  complex  differs  greatly

along the transect. At the northern transect southward dipping

reflectors generally exhibit a high amplitude. The deepest re-

flectors terminate against the basement in a baselap relation.

Reflectors below horizon B show lapouts on either side. This

reflection  geometry  indicates  sediment  transport  oblique  to

the  transect.  Conglomerates,  shales  and  coaly  shales  in  the

deepest  part  of  well  Trofaiach 1  suggest  deposition  in  a

fluvio-deltaic  environment.  Horizons  C  and  D  enclose  a

northward prograding sedimentary package characterized by

downlaps. Clinoform geometries indicate a water depth in the

order  of  50 m.  Sediments  below  an  elevation  of  500 m  in

Trofaiach 1 which show a coarsening upward trend possibly

represent this interval. Several northward dipping listric faults

((1) in Fig. 5) displace the basement and the lower part of the

Fig. 4. Vitrinite reflectance in the Trofaiach and Leoben Basins. Insert shows vitrinite reflectance in well A5. Linear and logarithmic trend

lines are extrapolated to a “surface value” of 0.2 % R

r

. Its elevation suggests erosion of rocks 1000 m or 1500 m thick. A basin model, as-

suming the subsidence history shown and a heat flow of 85 mW/m

2

, results in 1200 m of missing rocks.

basin fill south of station 175. The faults cannot be traced to

the surface and were obviously only active during early stages

of  basin  formation.  Despite  faulting  and  significant  lateral

variations in the thickness of single horizons, the thickness of

the complex between the top of the basement and horizon D is

quite uniform. This suggests that the top of the basement was

not yet tilted during deposition of the rocks beneath horizon

D. Thereafter, normal faulting along the prominent fault 2 ro-

tated the lower part of the lower complex. The accommoda-

tion  space  created  by  faulting  was  filled  by  sediments

baselapping against horizon D. It cannot be decided whether it

is  an  onlap  relationship  or  the  downlap  of  northward

prograding clinoforms. In the latter case, the topset area is dis-

located by fault system 3. The upper part of the lower com-

plex is characterized by a lower dip angle than that below ho-

rizon D. This is due in part to faulting along the listric fault 2.

However, an effect of fault 3, which might have re-rotated the

higher part of the lower complex, cannot be excluded. Along

the central and southern part of the seismic section, facies in-

terpretation of the lower complex is problematic due to the ab-

sence of continuous reflectors. Perhaps the rather chaotic low

amplitude  reflectors  result  from  intense  strike-slip  faulting.

Horizons F and G define the base of the sequences with north-

ward prograding clinoforms near the southern basin margin. It

cannot be decided, whether these horizons correlate with hori-

zons C and D at the northern basin margin.

Before  deposition  of  the  upper  complex,  major  erosion

caused  erosional  truncations  between  stations  330  and  380

background image

286

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

and created a prominent reflector (horizon E). The resulting

relief was filled up by the upper complex onlapping the ero-

sional surface. Reflectors are generally characterized by a low

continuity and moderate amplitude. Upper complex sediments

dominated by shale and sand were drilled by boreholes KB1–

3 and Trofaiach 2. Thin coal seams are present in outcrops and

KB boreholes, suggesting a similar depositional environment

to that during deposition of the lower complex. Fault systems

4 and 5 reach the surface and displace horizon E and upper

complex  sediments.  Obviously,  these  fault  systems  are

younger than faults systems 1 and 2. Tectonic data from bore-

holes  KB1  and  2  suggest  a  major  strike-slip  component  of

fault system 4. Fault system 5 corresponds to the south-eastern

basin margin.

Line TR0002 is of bad data quality due to unfavourable po-

sitioning  parallel  to  the  main  fault  zone.  Some  information

comes from the uppermost 200 m, where reflectors of low co-

herency show slight westward dips. Further detailed interpre-

tations are impossible.

Fig. 5. Migrated seismic time section (above) and interpretation of the NNW–SSE profile TR0001. Nonlinear depth scale is estimated from

stacking velocities and refraction analyses. Well projection distances are 630 m for Trofaiach 1 and 1100 m for Trofaiach 2. Faults are refer-

enced by numbers, main horizons by capital letters.

Gravity survey

Data acquisition and processing

250  gravity  stations  were  measured  using  a  LaCoste-

Rhomberg  gravity  meter  model  G 374.  Data  collection  was

performed in a single loop measurement with multiple instru-

ment readings. The altitude of the gravity stations was deter-

mined  by  differential-GPS  surveys  with  an  elevation  error

ranging from 1 to 10 cm.

Data processing started with tidal corrections, which indi-

cated  small  long-term  drift  rates.  Subsequently  the  Bouguer

corrections  and  terrain  corrections  to  a  reference  spheroid

were  made.  Fay’s  and  Bouguer  corrections  were  done  for  a

correction  level  of  +600 m  and  simply  a  constant  reduction

density of 2670 kg/m

3

. In order to represent the data graphi-

cally  the  irregularly  spaced  grid  must  be  interpolated.  In

geostatistical analyses of the processed data an anisotropy for

the directional angle of 33° with an axis ratio of 1 : 2 was ob-

background image

                                                 287

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

served.  A  Kriging  algorithm  utilized  these  results  in  a

variogram model, which was used for gridding.

In the contour map of the Bouguer anomaly (Fig. 6a) the val-

ues range between –25.9 mGal and –9.6 mGal. The correlation

between  gravimetric  and  topographic  structures  indicates  that

surface effects predominate the anomaly field. For further struc-

tural enhancement of the anomalies a regional field was sub-

tracted from the Bouguer data. This regional field was defined

by  a  simple  first  order  polynomial.  The  obtained  residual

anomaly map is not shown, since it displays similar features to

the  Bouguer  anomaly  map.  The  horizontal  gradient  of  the

Bouguer  anomaly  is  mapped  in  Fig. 6b.  The  gradient  of  the

Bouguer anomaly highlights zones of maximum lateral changes

in gravity and thus traces the boundary between bodies of dif-

ferent densities. This can be caused either by fault related base-

ment relief or by anomalies within the basement or basin fill.

The  basin  structure  was  modelled  along  seismic  line

TR0001  using  the  residual  gravity  field  for  calibration.  The

model calculation was carried out using the program GM-SYS.

The  main  goal  of  the  model  is  to  check  whether  the  basin

structure  interpreted  from  the  seismic  line  is  in  accordance

with observed gravity data.

Interpretation

Gravity field

The Bouguer anomaly outlines the overall shape of the ba-

sin as an elongated flat bottomed trough (Fig. 6a). The central

parts of the basin are characterized by the most negative val-

ues (–26 mGal to –22 mGal). The basin depth appears to be

constant in the western and central parts and shallower in the

narrow eastern part.

The gradient map (Fig. 6b) yields information on the loca-

tion of faults. A WSW–ENE trending zone with very high gra-

dients follows the steeply dipping south-eastern basin margin

fault. Another zone with a high gradient represents a parallel

lineament north of the basin margin. The gradient along this

fault  increases  towards  the  south-west.  This  is  probably  be-

cause the lineament is a central basin fault in the east, which

grades  into  the  basin  margin  in  the  south-west.  Both  faults

were  interpreted  along  seismic  line  TR0001.  The  southern

fault corresponds to fault system 5, whereas the northern fault

was labelled fault system 4.

Due to a low number of gravity stations in the north-eastern

study area, the trace of the Trofaiach Fault in the Laintal area

is hardly reflected in the gravity maps. However, the continua-

tion of the Trofaiach Fault west of Trofaiach is visible as a

roughly  E-W  striking  zone  with  a  high  horizontal  gradient.

Note that the western segment of the Trofaiach Fault is not ex-

actly the continuation of the fault forming the northern basin

margin in the Laintal area. This suggests subtle displacements

of this major strike-slip fault.

Two NE–SW oriented segments with high gradients occur

at the north-western basin margin. Because of a low density of

gravity stations in this area (Fig. 6a), the exact position of the

southern segment is poorly constrained. The most eastern po-

sition theoretically possible is shown in Fig. 6b. Even in this

case, the pattern of gravity anomalies suggests that the western

basin flank is displaced along an E–W trending line.

Model results

The gravimetric model along seismic line TR0001 is shown

in Fig. 7. Bench marks of the basin geometry are a shallow

dipping  north-western  basin  flank  constrained  by  seismic

data, borehole Trofaiach 1 and a nearly vertical southern basin

margin.

Laboratory  measurements  of  15  phyllitic  basement  rocks

yielded an average density of 2690 kg/m

3

. The average den-

sity  of  Paleozoic  carbonates  beneath  the  Styrian  Basin  is

2770 kg/m

3

 (Sachsenhofer et al. 1996). Considering these re-

sults, a model density of 2720 kg/m

3

 was used for the mainly

phyllitic basement. Hussain & Walach (1980) determined in

situ density values for Miocene sandy marls (2520 kg/m

3

) and

sandstones (2630 kg/m

3

) in the nearby Fohnsdorf Basin (see

Fig. 1 for location of Styrian Basin and Fohnsdorf Basin). On

the  basis  of  this  work,  and  in  order  to  underestimate  rather

than to overestimate basin depth, a density of 2520 kg/m

3

 was

adopted  for  the  deeper  parts  of  the  Miocene  basin  fill  and

2450–2480 kg/m

3

 for the shallower parts of the basin fill.

Upward  decreasing  densities  of  the  sedimentary  basin  fill

can be related to lower compaction rates of shallower layers.

Both,  the  2450  kg/m

3

  body  in  the  northern  part  and  the

2480 kg/m

3

 in the southern dip parallel to the bedding planes

and are structured by the main faults (Fig. 7). The high gravity

gradient near profile meters 2000 and 3900 suggests a shallow

depth for a body with significantly lower density. This body

might partially represent upper complex rocks.

The  deeper  structure  of  the  southern  part  of  the  basin  is

more speculative, so two alternative models with comparable

residual error were tested. Model A follows the seismic inter-

pretation  where  the  basement  is  characterized  by  a  horst.

Model  B  incorporates  a  broad  depocenter,  a  sub-horizontal

basement top, but a higher density of the sedimentary sequence.

Magnetic survey

Data acquisition and processing

The total magnetic intensity (TMI) was measured along 7

profiles (Fig. 8) with an overall length of 21.5 km. Readings

were made at a station spacing of 30 m using a Geometrics

G816/826 proton magnetometer. The readings were repeated

three times and subsequently averaged at every station. Sta-

tions  close  to  powerlines,  buildings,  known  pipes  and  those

with  larger  fluctuations  than  ±2 nT  were  rejected.  Station

coordinates were obtained to within 5 m by using a portable

GPS receiver. Data processing included corrections for diur-

nal variations recorded at a base station every hour and for

latitude  (0.0026 nT/m),  longitude  (0.001 nT/m)  and  eleva-

tion (–0.02 nT/m) referred to the base station (Militzer & We-

ber 1984).

Kriging, using variogram analysis, provided a TMI database

to derive a contour map (Fig. 8). Profile spacing is large com-

pared to the station intervals so that only regional features can

be interpreted on the contour map. Interpretation of high fre-

quency  anomalies  can  only  be  performed  along  a  measured

profile.

In addition, a 2.5 D modelling technique was used to derive

models  with  bodies  causing  the  main  magnetic  anomalies

background image

288

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

Fig. 6. a — Contour map of Bouguer anomaly in mGal at a correction level of 600 m above sea level. Dots indicate the stations measured.

b — Contour map of the first derivative calculated from the Bouguer anomaly. Lines indicate zones with high gradients interpreted as major

fault zones.

along  the  profiles.  For  this,  a  linear  regional  field  has  been

subtracted  from  the  measured  data.  The  models  were  cali-

brated by comparing the calculated magnetic patterns with the

residual  field.  Susceptibilities  were  determined  on  hand

picked samples by Ströbl (pers. comm.) yielding a mean value

of 0.001 SI units for limestone and 0.005 SI units for phyllite

and  gneiss.  Higher  values  (0.015  to  0.8  SI  units)  were  ob-

tained from the porphyroid and metabasite samples.

Interpretation

TMI field

The  total  magnetic  intensity  ranges  from  47700  to

48100 nT except at the northern end of profile 3, where drink-

ing water reservoirs cause major disturbances (Fig. 8). There

is an overall southward decrease in TMI. This is the marginal

background image

                                                 289

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

Fig. 7. 2.5 D gravity modelling along the profile shown in Fig. 6.

turbed only by small-scale negative anomalies of 10 to 30 nT

amplitude and 100 to 300 m wavelength (Fig. 9). Benson &

Mustoe (1995) report that negative anomalies may be due to

oxidation and alteration of magnetite and secondary deposi-

tion of limonite by ground water moving through fault zones.

This interpretation agrees with the observation that the south-

ern basin margin fault is characterized by negative anomalies.

Model results

Several  profiles  cross  the  southern  basin  margin.  Model

bodies with a susceptibility contrast of about 0.003 SI units

relative to the basin fill have to be considered to fit the ob-

served magnetic data at the southern parts of profiles 6, 4 and

3. The body at profile 6 reaches the surface and correlates ex-

cellently with exposures of porphyroids at the southern end of

this profile (Fig. 2). The model bodies at profiles 6 and 4 have

vertical northern edges indicating truncation by steep faults,

which cause small negative anomalies. Towards the east (pro-

file 2), the models suggest the presence of a structured body

with a relative susceptibility of 0.002 SI units, representing a

shallow, faulted basement. The faulted basement probably ex-

tends eastwards to the southern part of profile 1 characterized

by strong variations in the magnetic field. A distinct TMI de-

crease at the very southern end of profile 1 indicates a body

with a lower susceptibility (–0.002) than the basin fill. Com-

parable  low  susceptibilities  were  measured  by  Ströbl  (pers.

comm.) in carbonates exposed at the southern end of profile 1

and at the western basin margin (Fig. 2).

effect  of  a  giant  positive  anomaly  (+700 nT,  8 km  wave-

length)  located  north  of  the  Trofaiach  Basin  (Gössgraben

anomaly according to Ströbl, pers. comm.). Within the study

area, major, mostly positive anomalies define areas with shal-

low  or  outcropping  basement,  whereas  a  generally  smooth

magnetic pattern occurs in the central basin. The smooth char-

acter of the magnetic field within the Trofaiach Basin is dis-

Fig. 8. Map of total magnetic intensity in nT measured along the profiles shown. Arrows indicate local negative anomalies interpreted as

fault zones, “+” and “–” signs indicate regional positive and negative anomalies.

background image

290

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

Information about the northern and western basin margins

is provided by profiles 7, 5 and 1. High susceptibilities (0.024

and 0.016) have to be assumed for shallow bodies along pro-

file 7. These bodies are probably related to metabasitic rocks,

which are exposed east of the profile, north-east of Trofaiach.

This interpretation points to a shallow basement depth and in-

dicates that the main fault forming the northern basin margin

is  located  close  to  the  southern  end  of  profile  7.  A  more

gradual southward increase in basement depth is suggested by

profile 5. The trough in the TMI curve at profile meter 1500

may indicate a fault. The positive anomaly in the north of pro-

file 1 is best matched by two adjacent bodies with suscepti-

bilities of 0.004 and 0.009, respectively.

Structural investigations

Methods

A digital elevation model (DEM) was used to map linear

morphological features likely to depict brittle faults, and to re-

veal  the  geometry  of  major  structures,  which  cannot  be

mapped in the field due to limited and poor outcrops in the ba-

sin and along its margins. The DEM is shown in Fig. 10a as a

shaded relief map illuminated from the north-west. The azi-

muth and length of 244 linear features were identified and the

azimuthal  distribution  of  the  structures,  weighted  for  their

length, is presented in a rose diagram (Fig. 10b).

Fig. 9. A perspective view of relative total magnetic intensities along seven profiles is shown in the upper part. Arrows point to anomalies

with a short wavelength interpreted as fault zones. Modelled bodies causing the observed long wavelength anomalies are shown in the lower

part. Numbers denote relative susceptibility in SI units. See Fig. 8 for position of profiles.

background image

                                                 291

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

The interpretations are supported and controlled by struc-

tural field analyses of microtectonic data collected in 21 out-

crops, which were performed to assess the geometry and me-

chanics of the mapped faults. Brittle structural data were col-

lected from drilling cores from Miocene rocks and outcrops in

the  pre-Miocene  basement.  Unfortunately,  none  of  the  few

outcrops of Miocene rocks provided tectonic information. For

kinematic  analysis  in  carbonate  rocks  extension  gashes,

stylolithes, fibrous calcite and s-planes within the fault gauge

were analysed. Fibrous slickensides and Riedel planes were

found in phyllites and metavolcanites. Separation of field data

into homogeneous data sets was based on field observations

Fig. 10. a — Digital elevation model (DEM) of the study area. b — Interpretation of DEM and trend distribution of traces added in rose

diagram.

background image

292

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

of the relative chronology of deformational events. Bending

of striation, superimposed striations on fault surfaces as well

as cross-cutting relationships between faults were used for es-

tablishing  this  chronology.  The  homogeneity  of  separated

data sets was checked by the computation of pT-axes (Turner

1953). The results were plotted in stereographic projections of

fault patterns in Schmidt net, lower hemisphere.

Interpretation

In the rose diagram (Fig. 10b) several groups of lineament-

directions can be identified. In the first part of this section, E–

W to NE–SW striking faults which form the margins of the

Trofaiach  Basin  are  discussed.  Microstructural  data  from

these faults are plotted in Fig. 11.

An  important  group  of  morphological  lineaments  trends

roughly W–E (ca. 265–085). The map-scale Trofaiach Fault

in the Laintal area is one of these lineaments. Microstructural

data are not available from the Trofaiach Fault in the Laintal

area because of bad outcrops. However, Nievoll (1985) found

ample evidence for sinistral movements along the central and

eastern sector of the 30 km long fault. Evidence for sinistral

strike-slip  faulting  is  also  present  at  the  margins  of  the

Trofaiach Basin, where a displaced thrust fault indicates dis-

placements  in  the  order  of  10 km  (Fig. 11).  This  distance

roughly  agrees  with  Vetters’  (1911)  estimate,  which  recon-

structed a displacement of 12 km along the central Trofaiach

Fault. West of Trofaiach, the Trofaiach Fault is hidden, but

gravimetric  data  suggest  a  4 km  continuation  westwards

(Fig. 6b). The main structure of the Trofaiach Fault is not ex-

posed,  but  accompanying  minor  faults  show  cataclasite  and

reddish or brownish kakirite. Left lateral W–E trending linea-

ments also form important structures with duplexes in carbon-

ates  along  the  southern  part  of  the  western  basin  margin

(Fig. 10;  sites  13–18  in  Fig.  11).  The  W–E  directed  linea-

ments  are  not  observed  within  the  Trofaiach  Basin,  where

they are covered by Miocene rocks.

A second group of lineaments strikes ca. WSW–ENE (235–

055 to 255–075; Fig. 10). Left-lateral faults in this group are

mostly interpreted as Riedel shears of the sinistral Trofaiach

Fault, formed during the initial stage of basin formation. Rep-

resentative faults are excellently exposed in a quarry north of

Trofaiach (site 1; Fig. 11). Other representatives of this group

are found in the south-eastern margin of the Trofaiach Basin

(see also Figs. 7, 9). In the Laintal area, limestone along the

fault is covered by a massive fault breccia. In the south-west-

ern basin two branches of the strike-slip fault confine an east-

ward  tilted  basement  wedge.  Numerous  small  scale  WSW–

ENE to W–E directed strike-slip faults and dip-slip faults run

parallel  to  the  main  structure.  Some  outcrops  show  small

scarps,  others  up  to  1 m  thick  brownish  kakirite  and

cataclasite.  Sinistral  faults  are  also  documented  in  Miocene

sediments drilled from the boreholes KB1–2 and A5 (Fig. 3).

As the cores are not oriented, the direction of sinistral strike-

slip  movements  cannot  be  safely  determined.  However,  the

predominance of WSW-trending lineaments within the south-

Fig. 11. Selected tectonic data for the pull-apart phase of the Trofaiach Basin. Fault planes are plotted in Schmid net, lower hemisphere pro-

jection. Great circles and points denote fault planes and slicken lines, respectively. Double arrows indicate sense of shear.

background image

                                                 293

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

ern Trofaiach Basin suggests that the cored faults are related

to this group of lineaments. This indicates that the faults re-

mained active after the deposition of the Miocene rocks.

NE-striking lineaments with strike directions between 225–

045 and 235–055 occur at the western basin margin (Fig. 10).

They coincide with SSE- (sites 17–19) and SE-dipping (sites

12–15) oblique-normal faults (Fig. 11). This pattern suggests

that the E–W directed Trofaiach strike-slip fault in the north

bends into an oblique-normal fault at the western basin mar-

gin.  Simultaneously,  the  NE-striking  normal  faults  are  dis-

placed by sinistral E–W trending strike-slip faults.

Whereas the above faults are kinematically and geometri-

cally  related  to  the  extensional  phase  of  basin  formation

within the framework of Miocene lateral extrusion, the role of

lineaments discussed below is ambiguous.

A  prominent  group  of  morphological  lineaments  trends

280–100 to 310–130 (Fig. 10) sub-parallel to major valleys.

Scarps in the basement west of the Trofaiach Basin, as well as

thick kakirites and cataclasites are related to such faults. Al-

though not detectable in geophysical studies, this group forms

conspicuous lineaments in the Trofaiach Basin. SE trending

faults are frequently observed within the north-eastern Eastern

Alps (e.g. Peresson & Decker 1997) and are generally related

to Late Eocene/Early Miocene dextral movements. A conju-

gate sinistral fault system strikes N to NE. During Late Mi-

ocene  times  E-W  compression  reactivated  several  of  these

faults with opposed shear sense (Peresson & Decker 1997).

This may explain the observed evidence for both sinistral (e.g.

sites  6, 7)  and  dextral  (sites  14–16,  19)  SE  trending  faults

within the basement rocks (Fig. 12). Within the Miocene ba-

sin fill, dextral NE and sinistral SE trending faults fitting the

Late Miocene stress pattern are expected. However, a sketch

of the Gimplach mine (Fig. 12) shows dextral SE (~310 to

130) and sinistral NE (200 to 020) trending faults. This fault

pattern suggests N-S (NNW–SSE) compression.

Discussion

Basin architecture

The northern margin of the basin is formed by the roughly

E-W striking sinistral Trofaiach Fault (Fig. 13). Interpretation

of the DEM (Fig. 10) and of the gravimetric (Fig. 6) and mag-

netic data (Figs. 8, 9) suggests that the fault controlled north-

ern basin margin is split from east to west into three segments,

with  each  western  segment  slightly  displaced  towards  the

north.  The  exact  position  of  the  main  fault  along  magnetic

profile  7  (Fig.  9),  which  crosses  the  Trofaiach  Fault  north-

west  of  Trofaiach,  is  ambiguous.  The  magnetic  survey  sug-

gests that the main fault is located at the southern edge of a

modelled body, whereas a high gravimetric gradient suggests

a slightly more northern position. Changing the relative mag-

netic  susceptibility  of  the  model  body  (e.g.  to  0.024  corre-

sponding  to  the  highest  observed  value)  does  not  solve  the

problem. Perhaps there are two faults resulting from the over-

Fig. 12. Selected tectonic data for faults pre- and postdating the main pull-apart phase of the Trofaiach Basin. Fault planes are plotted in

Schmid net, lower hemisphere projection. Great circles and points denote fault planes and slicken lines respectively. Double arrows indicate

sense of shear. The insert is a sketch map of the fault pattern reported from the Gimplach coal mine.

background image

294

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

lap of the western and central segments of the Trofaiach Fault.

However, because of thick Quaternary cover this hypothesis

cannot  be  checked.  The  Trofaiach  Fault  disappears  about

6 km west of Trofaiach. Indications for a westward continua-

tion of the fault exist neither at the northern end of seismic

line  TR0001,  nor  within  the  exposed  basement.  NW–SE

trending sinistral strike-slip faults north of the Trofaiach Fault

(e.g. site 1 in Fig. 11) are interpreted as Riedel shears.

The south-eastern basin margin is accompanied by two par-

allel  ENE–WSW  striking  faults,  which  include  an  angle  of

about 20° with the Trofaiach Fault. The southern fault forms

the  main  southern  margin  of  the  basin.  This  rather  straight

margin is interrupted by a northward protrusion of basement

rocks south of Trofaiach, splitting the basin margin into two

sectors. The eastern sector is clearly visible in the DEM. The

western sector is visible in the DEM, the gravimetric and the

magnetic  survey.  The  seismic  line  TR0001  shows  that  the

fault  comprises  several  steep  branches  (fault  system  5  in

Fig. 5). The northern ENE–WSW striking fault is visible in

the gravimetric survey, but its westernmost part is also visible

in the DEM. The fault separates Miocene rocks in the north

from basement rocks in the south along its western part, and

grades eastwards into a steep central basin fault (fault system

4  in  Fig. 5).  Both  parallel  faults  enclose  a  basement  block,

which is tilted towards the ENE.

Gravimetric and structural data suggest that the north-west-

ern basin margin is formed by south-eastward dipping normal

and oblique-normal faults. These faults are displaced by E–W

trending strike-slip faults. Tilted Miocene rocks, but no south-

eastward dipping normal faults, are visible at the northern end

of seismic line TR0001.

An ENE–WSW striking gravity low is located in the western

part of the basin between the Trofaiach Fault, the north-western

basin  margin  and  the  northern  ENE–WSW  striking  fault

(Fig. 13). Traditionally this feature would be interpreted as the

depocenter of the basin. However, the model in Fig. 7 suggests

that at least at its eastern end, the gravity low may be the result

of shallow low density bodies within the basin fill. Along the

strike, the axis of the gravity low is laterally displaced.

According to seismic data and the gravity model, the basin

depth is in the range of 800 to 900 m. Borehole A5 shows that

the preserved thickness of Miocene rocks in the narrow east-

ern part of the basin in the Laintal area is at least 550 m. This

implies steep marginal faults.

Seismic line TR0001 provides information on the internal

architecture of the basin. Along the northern part of this line

the rocks dip in southward directions (~30°) and are horizon-

tal  or  dip  slightly  southward  along  the  central  and  southern

part. Southward tilting of the northern part is related to fault-

ing along fault system 2 (see Fig. 5). A major unconformity

separates rocks from a lower and an upper complex.

Basin evolution

Inferences  about  the  evolution  of  the  Trofaiach  Basin  fill

based  mainly  on  borehole  data  (Fig. 3)  and  on  information

from seismic line TR0001 (Fig. 5) are presented in this sec-

tion.  However,  the  reconstruction  is  fragmented  because  of

the limited availability of sample material and the lack of in-

terpretable  reflectance  patterns  in  some  parts  of  the  seismic

transect. The latter is due at least in part to a result of intense

faulting.

Sedimentation in the Trofaiach Basin commenced with the

deposition  of  coarse-grained  clastic  rocks.  Conglomerates

were drilled in boreholes Trofaiach 1 and A5 and are also pre-

served  in  outcrops  north  of  the  Trofaiach  Fault.  The  basal

conglomerates in borehole Trofaiach 1 are overlain by coaly

and calcareous shale. Seismic patterns along the northern part

of line TR0001 suggest that transport directions perpendicular

to the seismic line prevailed during the early stages of basin

evolution. Coaly shales in Trofaiach 1 and a thin coal seam

with  sapropelic  shale  found  at  the  former  exploration  mine

near Baumgartner indicate a shallow lacustrine or a marginal

fluvial depositional environment.

Clinoform geometries between seismic reflectors C and D

indicate a later deltaic system, which prograded with apparent

northern  directions  into  an  approximately  50 m  deep  lake.

Sandy layers in borehole Trofaiach 1 at an elevation of 500 m

may represent the sandy topmost part of the prograding delta.

The rocks below reflector D are affected by northward dip-

ping  faults  (fault  system 1)  south  of  borehole  Trofaiach 1,

which were only active during the early phases of basin evo-

lution. Because of poor seismic resolution, the continuation of

the rocks south of fault system 1 remains unclear.

The thickness of the tilted Miocene deposits below seismic

reflector  D  is  about  250 m.  Remarkably,  the  thickness  does

not decrease northwards (Fig. 5). This suggests either a steep

fault north of seismic line TR0001, which is not observed, or,

more likely that the early basin continued northwards across

the  basin  margin  which  exists  today.  It  cannot  be  decided

whether  the  Trofaiach  Fault  was  active  during  these  early

stages. Tilting of the northern part of the basin occurred after

formation of reflector D and resulted in uplift of the pre-Mi-

ocene  basement  along  the  north(west)ern  basin  margin,  a

steep (30°)  southward  dip  of  Miocene  rocks  and  significant

erosion  of  these  rocks  north(west)  of  the  present-day  basin

margin.  The  mechanisms  which  caused  this  inversion  are

poorly understood, because no indications for syndepositional

compression  or  transpression  (reverse  faults  or  folds)  were

found in outcrops. In any case, basal Miocene rocks north of

Trofaiach are in a horizontal position, indicating that tilting

did not occur north of the Trofaiach Fault.

The  sedimentary  sequence  between  seismic  reflectors  D

and E is dominated by fine-grained clastic rocks and overlies

reflector  D  with  an  onlap  or  with  a  downlap  relation.  The

thickness of the sedimentary sequence increases southwards

and the dip angles decrease upwards (Fig. 5). Both features

are  consequences  of  synsedimentary  normal  faulting  along

listric fault 2.

Thereafter, major erosion incised a channel-like structure in

the  central  basin.  Sand,  silt  and  clay  of  the  upper  complex

onlap  the  erosional  surface.  Cross  bedding  and  local  coaly

interlayers indicate a fluvio-deltaic facies. Sediments in bore-

holes KB1–3 are extremely rich in detrital mica. The mica is

most probably derived from Middle Australpine micaschists

suggesting sediment transport from eastern or southern direc-

tions. Displacements of seismic reflector E and steeply dip-

ping normal and strike-slip faults in shallow drillholes KB1–3

testify that faulting continued during and after deposition of

upper complex rocks.

background image

                                                 295

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

Maturity  data  indicate  that  the  preserved  rocks  represent

only a part of the entire basin fill. Rocks more than 1000 m

thick were removed by erosion. This erosion is probably re-

lated  to  compressional  events,  which  affected  the  Trofaiach

Basin during post-Middle Badenian times.

A  roughly  N-S  compressional  event  fragmented  the  coal

seam in the Gimplach mine (Fig. 12). Similar fault geometries

are known from the Fohnsdorf Basin and are related to post-

Middle  Badenian  movements  along  the  Lavanttal  Fault

(Sachsenhofer et al. 2000; Strauss et al. 2001). On the other

hand,  the  reconstructed  compression  also  agrees  with  the

present-day stress-field (Reinecker & Lenhardt 1999). An ad-

ditional E-W compressional event is suggested by the en-ech-

elon arrangement of the sectors of the Trofaiach Fault (Fig.

13)  which  does  not  fit  with  Early/Middle  Miocene  sinistral

movements, and by the protrusion of basement rocks at the

south-eastern  basin  margin  along  dextral  NNE  and  sinistral

NW trending faults. The latter event fits well with Late Mi-

ocene E-W compression across the Alpine-Pannonian realm

(Decker & Peresson 1996; Peresson & Decker 1997).

Basin models

Classical pull-aparts form at major oversteps between dis-

continuous  master  faults  and  at  releasing  bends  on

throughgoing faults (Aydin & Nur 1982; Mann et al. 1983;

Sylvester 1988). Both mechanisms require the existence of a

master fault at both sides of the pull-apart structure. Exten-

sional structures in strike-slip regimes also develop at the end of

strike-slip faults (Deng & Zang 1984). In this case the basin

subsides along splay faults (Willemse & Pollard 1998) and nor-

mal faults generated by extension parallel to the main fault.

The  Trofaiach  Basin  is  clearly  related  to  the  sinistral

Trofaiach  Fault.  However,  a  continuation  of  this  fault  or  a

Fig. 13. a — Summary of important features of the Trofaiach Basin derived from geophysical and geological investigations. b — Fault pat-

tern at the termination of a single strike-slip fault (modified after a sandbox model; Fig. 7c in Basile & Brun 1999). c — Fault pattern at the

non-overlapping overstep of two strike-slip faults (modified after a sandbox model; Fig. 10b in Dooley & McClay 1997).

background image

296

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

separate master fault at the south-western end of the Trofaiach

Basin in the Liesing Valley are not as obvious. Therefore, it

was first tested whether the geometry of the Trofaiach Basin

can  be  explained  by  movements  along  the  Trofaiach  Fault

alone.  Basin  formation  at  the  end  of  a  strike-slip  fault  was

modelled by Basile & Brun (1999). Resulting fault patterns

are sketched in Fig. 13b. Applied to the Trofaiach Basin, the

uplift of basement rocks north-west of the basin and block tilt-

ing towards the basin centre could be explained by the forma-

tion  of  a  marginal  ridge  contemporaneous  to  the  horse  tail

splay at which the adjacent basin subsided. At the western end

of the northern branch, strike-slip displacement is partly trans-

ferred into NE–SW strike. Such behaviour was also found in

the analogue model by Basile & Brun (1999), in outcrop scale

(Kim  et  al.  2001),  and  on  major  intraplate  strike-slip  zones

(Storti et al. 2001). However, apart from the north-western ba-

sin margin, there is no evidence for E–W trending strike-slip

faults  bending  into  N–S  directed  normal  faults.  Moreover,

about  10  to  14 km  of  left-lateral  motion  occurred  along  the

Trofaiach Fault. This was only partly compensated by the for-

mation  of  the  Trofaiach  Basin,  which  is  not  even  1000 m

deep.  Thus,  most  of  the  strike-slip  movement  must  have

passed through the basin and continued in the west. These are

major arguments that the Trofaiach Basin represents a classi-

cal pull-apart structure.

Possibly, the westward continuation of the Trofaiach Fault

is hidden below the Quaternary cover of the generally NW–

SE trending Liesing Valley. Sinistral displacements along the

Liesing Valley were postulated by Ratschbacher et al. (1991)

and Neubauer et al. (1995). Perhaps, a short WNW–ESE trend-

ing sector of this valley at the south-western tip of the Trofaiach

Basin  (Fig. 1)  indicates  sinistral  displacement  of  the  Liesing

Valley.  Alternatively,  younger  NW–SE  strike-slip  movement

may have disrupted or overprinted the Trofaiach Fault in the

Liesing  Valley.  Accepting  that  the  Trofaiach  Fault  continues

into  the  Liesing  Valley,  the  structure  of  the  Trofaiach  Basin

(Fig. 13a) shows striking similarities to fault patterns found by

analogue  modelling  (Hempton  &  Neher  1986;  Dooley  &

McClay 1997; Fig. 13c). The similarities include the positions

of the main strike-slip faults, which grade into (oblique) normal

faults, the array of Riedel shears, and a strike-slip fault crossing

the basin, which in the case of the Trofaiach Basin, links the

Trofaiach Fault in the north with a (speculative) strike-slip fault

in the Liesing Valley. The main movement is probably trans-

ferred along this cross-basin fault zone.

Fig. 14  provides  a  schematic  perspective  view  of  the

Trofaiach Basin, showing the basin as a pull-apart structure.

The second cross-section from below is based on seismic line

TR0001. All other sections are more speculative.

Comparison with other basins along the Noric Depression

Basins along the Noric Depression formed as pull-apart ba-

sins  (Aflenz  Basin,  Parschlug  Basin),  as  asymmetric  pull-

Fig. 14. Perspective view of N-S cross-sections through the Trofaiach Basin. Cross-section 2 is based on seismic line TR0001. The other

cross-sections are more speculative.

background image

                                                 297

THE TROFAIACH BASIN (EASTERN  ALPS): GEOPHYSICAL AND STRUCTURAL STUDY

apart  basins  (e.g.  Leoben  Basin),  or  are  characterized  by  a

pull-apart  phase  and  a  halfgraben  phase  (Fohnsdorf  Basin;

Neubauer et al. 2000; Strauss et al. 2001; see Fig. 1 for loca-

tion of basins). Despite these differences, the sedimentary se-

quence of these basins is quite similar and typically comprises

(from  bottom  to  top)  fluvial  sediments,  a  single  thick  coal

seam,  a  sapropelite,  and  fine-grained  lacustrine/brackish

clastics, which grade upwards into coarse-grained clastic sedi-

ments. This sequence reflects very high subsidence rates dur-

ing the early stages of basin evolution, resulting in the forma-

tion  of  a  deep  lake  and  its  subsequent  filling.  Within  this

framework,  the  Trofaiach  Basin  is  unique.  The  basal  con-

glomerates may represent a fluvial phase, and the fine-grained

sediments partly represent lacustrine deposits. However, fre-

quent coal layers in different stratigraphic positions indicate

that the lake was probably shallow. This is an indication that

the subsidence rates in the Trofaiach Basin were smaller than

in other basins along the Noric Depression preventing the for-

mation of a deep lake. Subsidence rates in the Trofaich Basin

were  probably  also  lower  than  in  the  Parschlug  Basin,  al-

though  both  basins  are  controlled  by  the  Trofaiach  Fault

(Sachsenhofer et al. 2001). Perhaps the lower subsidence rates

in  the  Trofaiach  Basin  indicate  that  deposition  of  the  pre-

served sediments in the Trofaiach Basin commenced before

the main faulting activity.

Another difference concerns the development of a cross-ba-

sin fault zone in the Trofaiach Basin, which is not apparent in

other basins along the Noric Depression. For example, seis-

mic lines in the Fohnsdorf and Aflenz Basins (Sachsenhofer et

al. 2000; Gruber et al. 2002) show that faulting in these basins

was restricted to the basin margins. This probably reflects dif-

ferences in strike-slip displacements along the principle fault

zone. The overall displacement is about 4 km in the case of

the  relatively  large  Fohnsdorf  Basin  (Strauss  et  al.  2001),

probably even less in the Aflenz Basin, and 10 to 14 km in the

Trofaiach Basin. We speculate that only in the Trofaiach Ba-

sin an important part of the total displacement had to be trans-

ferred along a cross-basin fault zone.

Most basins in the western and central Noric Depression,

including the Trofaiach Basin are controlled by E–W trending

faults.  ENE–WSW  trending  faults,  which  are  postulated  by

classical escape models, dominate only in the eastern Noric

Depression.

Conclusions

The Trofaiach Basin formed during the Early/Middle Mi-

ocene lateral extrusion of the eastern parts of the Eastern Alps

at the western termination of the sinistral Trofaiach Fault. The

basin  geometry  suggests  that  it  represents  a  classical  pull-

apart structure. It occupies a left step between the Trofaiach

Fault  with  10  to  14 km  of  total  displacement  and  a  (poorly

constrained) strike-slip fault in the Liesing Valley.

The basin is bordered in the north by en-echelon segments

of the Trofaiach Fault and in the south(east) by near-vertical

ENE–WSW  trending  faults.  The  western  basin  margin  is

formed  by  NE–SW  trending  (oblique)  normal  faults.  Total

displacement along the Trofaiach Fault was only partly com-

pensated  by  basin  formation.  Part  of  the  displacement  was

transferred along a cross-basin fault.

The western Trofaiach Basin is about 800 to 900 m deep.

Basin  depth  in  the  narrow  Laintal  area  exceeds  550 m.  Ac-

cording to borehole data and seismic facies, the basin fill is

dominated by fluvial and shallow lacustrine deposits. As far

as  it  can  be  reconstructed,  the  water  depth  only  reached  a

maximum of 50 m. In contrast to other basins along the Noric

Depression,  deep  lacustrine  environments  were  not  estab-

lished, indicating that subsidence rates in the Trofaiach Basin

were probably lower than in other basins along the Noric De-

pression.  A  major  erosional  unconformity  (seismic  reflector

E) within the basin fill separates a lower complex from an up-

per complex.

The preserved basin fill represents only part of the original

deposits. At least three erosional events occurred during the

evolution of the Trofaiach Basin. A first phase is related to

tilting of the northern part of the basin along transect TR0001

and uplift of basement rocks north-west of the basin. A deep

channel-like  structure  was  eroded  into  lower  complex  sedi-

ments  during  a  second  erosional  event.  Finally,  rocks  more

than 1 km thick were removed during a third phase. The latter

event is related either to post-Middle Badenian N-S or to Late

Miocene E-W compression.

The main differences from other basins along the Noric De-

pression include the presence of a cross-basin fault, more ero-

sional events, coaly layers within the entire basin fill, and the

absence  of  deep  lacustrine  depositional  environments.  This

shows that basin forming mechanisms changed significantly

along different segments of the main wrench corridor within

the Eastern Alps.

Acknowledgments: We wish to thank the seismic field crew

for their encouragement and the colleagues at Joanneum Re-

search for critical comments on seismic processing and inter-

pretation. We are grateful to G. Walach sen. for supervising

the  gravity  survey  and  to  R.  Scholger  who  helped  interpret

magnetic data. D. Reischenbacher is acknowledged for cheer-

fully supporting field work. I. Dunkl kindly provided unpub-

lished  FT  ages.  Linguistic  improvement  introduced  to  the

manuscript  by  Ch.  Wohlfahrt  is  also  gratefully  acknowl-

edged. This study was funded under Grant P 14025-Tec by

the Austrian Science Foundation. Parts of the seismic survey

were funded by VALL.

References

Aydin A. & Nur A. 1982: Evolution of pull-apart basins and their

scale independence. Tectonics 1, 91–105.

Basile C. & Brun J.P. 1999: Transtensional faulting patterns ranging

from pull–apart basins to transform continental margins: an ex-

perimental investigation. J. Struct. Geol. 21, 1, 23–37.

Benson A.K. & Mustoe N.B. 1995: Analyzing shallow faulting at a

site in the Wasatch fault zone, Utah, USA, by integrating seis-

mic, gravity, magnetic, and trench data. Engng Geol. 40, 3–4,

139–156.

Decker  K.  &  Peresson  H.  1996:  Tertiary  kinematics  in  the

Alpine-Carpathian-Pannonian system: links between thrusting,

transform  faulting  and  crustal  extension.  In:  Wessely  G.  &

Liebl W. (Eds.): Oil and gas in Alpidic thrustbelts and basins of

background image

298

GRUBER, SACHSENHOFER, KOFLER and DECKER

Central and Eastern Europe. EAGE Spec. Publ. 5, 69–77.

Deng Q. & Zhang P. 1984: Research on the geometry of shear frac-

ture zones. J. Geophys. Res. 89, 5699–5710.

Dooley T. & McClay K. 1997: Analog modelling of pull-apart ba-

sins. AAPG Bull. 81, 11, 1804–1826.

Gruber  W.,  Decker  K.,  Reischenbacher  D.  &  Sachsenhofer  R.F.

2002:  Beckenarchitektur  in  der  zentralen  Norischen  Senke.

PanGeo-Abstracts, Salzburg.

Hempton M.R. & Neher K. 1986: Experimental fracture, strain and

subsidence patterns over en-echelon strike-slip faults: implica-

tions for the structural evolution of pull-apart basins. J. Struct.

Geol. 8, 597–605.

Hoefer  H.  1902a:  I.  Bohrung  —  Eine  Bohrung  im  Muldentiefsten

des Tertiärbeckens bei Trofaiach. Unpubl. report, District Min-

ing Office, Leoben, 1–3.

Hoefer  H.  1902b:  Beurteilung  des  Bohrlochs  Nr.  2  bei  Trofaiach.

Unpubl. report, District Mining Office, Leoben, 1–3.

Hussain A. & Walach G. 1980: Subsurface gravity measurements in a

deep intra-Alpine Tertiary basin. Geoexploration 18, 165–175.

Kim Y.S., Andrews J.R. & Sanderson D.J. 2001: Reactivated strike–

slip faults: examples from north Cornwall, UK. Tectonophysics

340, 73–194.

Lackenschweiger  H.  1951:  Bohrung  A5  Laintal — Einstellungs-

und Abschlußbericht. Unpubl. report, Geol. B.–A. Vienna, 1–2.

Mann P., Hempton M.R., Bradley D.C. & Burke K. 1983: Develop-

ment of pull-apart basins. J. Geol. 91, 529–554.

Metz K., Schmid C., Schmöller R., Ströbl E., Walach G. & Weber F.

1978–1979:  Geophysikalische  Untersuchungen  im  Gebiet  der

Seetaler  Alpen–Niedere  Tauern–Eisenerzer  Alpen.  Mitt.

Österr. Geol. Gesell. 71, 72, 213–259.

Militzer  H.  &  Weber  F.  1984:  Angewandte  Geophysik.  Band  1.

Gravimetrie und Magnetik. Springer, Wien, New York, 127–189.

Neubauer  F.  1988:  Bau  und  Entwicklungsgeschichte  des

Rennfeld-Mugel- und des Gleinalmkristallins. Abh. Geol. B.–

A., 42, 1–137.

Neubauer F., Handler R., Hermann S. & Paulus G. 1994: Revised

lithostratigraphy and structure of the eastern Greywacke Zone

(Eastern Alps). Mitt. Österr. Geol. Gesell. 86, 61–74.

Neubauer F., Dallmeyer D.R., Dunkl I. & Schirnik D. 1995: Late Cre-

taceous exhumation of the metamorphic Gleinalm dome, Eastern

Alps: kinematics, cooling history and sedimentary response in a

sinistral wrench corridor. Tectonophysics 242, 79–98.

Neubauer F., Fritz H., Genser J., Kurz W., Nemes F., Wallbrecher

E.,  Wang  X.  &  Willingshofer  E.  2000:  Structural  evolution

within  an  extruding  wedge:  model  and  application  to  the  Al-

pine-Pannonian system. In: Lehner F.K. & Urai J.L. (Eds.): As-

pects  of  tectonic  faulting  (Festschrift  in  Honour  of  Georg

Mandl). Springer, Berlin, 141–153.

Nievoll J. 1985: Die bruchhafte Tektonik entlang der Trofaiachlinie

(Östliche  Zentralalpen,  Österreich).  Jb.  Geol.  B.–A.,  127,

643–671.

Peresson H. & Decker K. 1997: The Tertiary dynamics of the north-

ern Eastern Alps (Austria): changing palaeostresses in a colli-

sional plate boundary. Tectonophysics 272, 2–4, 125–157.

Petrascheck  W.  1924:  Kohlengeologie  der  Österreichischen

Teilstaaten.  VI  Braunkohlenlager  der  österreichischen  Alpen.

Berg- u. Hüttenmänn. Mh. 72, 5–48.

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

extrusion in the Eastern Alps, 2. Structural analysis. Tectonics

10, 257–271.

Reinecker  J.  &  Lenhardt  W.A.  1999:  Present-day  stress  field  and

deformation in eastern Austria. Int. J. Earth Sci. 88, 532–550.

Sachsenhofer  R.F.  1989:  Das  Inkohlungsbild  im  Jungtertiär  der

Norischen Senke (Östliche Zentralalpen, Österreich) und seine

paläogeothermische Deutung. Jb. Geol. B.–A., 132, 489–505.

Sachsenhofer  R.F.,  Sperl  H.  &  Wagini  A.  1996:  Structure,

developement and hydrocarbon potential of the Styrian Basin.

In:  Wessely  G.  &  Liebl  W.  (Eds.):  Oil  and  gas  in  Alpidic

thrustbelts and basins of the Central and Eastern Europe. EAGE

Spec. Publ. 5, 393–414.

Sachsenhofer R.F. 2001: Syn- and post-collisional heat flow in the

Tertiary Eastern Alps. Int. J. Earth Sci. 90, 579–592.

Sachsenhofer R.F., Kogler A., Polesný H., Strauss P. & Wagreich

M. 2000: The Neogene Fohnsdorf basin: basin formation and

basin inversion during lateral extrusion in the Eastern Alps. Int.

J. Earth Sci. 88, 415–430.

Sachsenhofer R.F., Kuhlemann J. & Reischenbacher D. 2001: Das

Miozän der östlichen Norischen Senke. In: G.W. Mandl (Ed.):

Arbeitstagung 2001. Geol. B.–A., 135–145.

Storti F., Rossetti F. & Salvini F. 2001: Structural architecture and

displacement  accommodation  mechanisms  at  the  termination

of  the  Priestley  Fault,  northern  Victoria  Land,  Antarctica.

Tectonophysics 341, 141–161.

Strauss  P.,  Wagreich  M.,  Decker  K.  &  Sachsenhofer  R.F.  2001:

Tectonics  and  sedimentation  in  the  Fohnsdorf-Seckau  basin

(Miocene,  Austria):  from  a  pull-apart  basin  to  a  half-graben.

Int. J. Earth Sci. 90, 549–559.

Sylvester A.G. 1988: Strike slip faults. GSA Bull. 100, 1666–1703.

Taylor G.H., Teichmüller M., Davis A., Diessel C.F.K., Littke R. &

Robert  P.  1998:  Organic  petrology.  Borntraeger,  Berlin–

Stuttgart, 1–704.

Turner  F.J.  1953:  Nature  and  dynamic  interpretation  of  deforma-

tion  lamellae  in  calcite  of  three  marbles.  Amer.  J.  Sci.  251,

276–298.

Vetters H. 1911: Die “Trofaiachlinie”. Ein Beitrag zur Tektonik der

nordsteirischen Grauwackenzone. Verh. Geol. R. A. 151–172.

Weber  L.  &  Weiss  A.  1983:  Bergbaugeschichte  und  Geologie  der

österreichischen  Braunkohlevorkommen.  Arch.  Lagerstätten-

forsch. Geol. B.–A., 4, 1–317.

Willemse E.J.M. & Pollard D.D. 1998: On the orientation and pat-

terns of wing cracks and solution surfaces at the tips of a slid-

ing flaw or fault. J. Geophys. Res. 103, 2427–2438.

Winter P. 1993: Die Karte der Bouguer-Isanomalen der Steiermark.

Österr. Beiträge zu Meteorologie und Geophysik 8, 55–68.

Yalcin  M.N.,  Littke  R.  &  Sachsenhofer  R.F.  1997:  Thermal  his-

tory  of  sedimentary  basins.  In:  Welte  D.H.,  Horsfield  B.  &

Baker D.R. (Eds.): Petroleum and basin evolution.  Springer,

Berlin, 73–167.