background image

www.geologicacarpathica.sk

Subsurface structure and tectonic style of the NE Outer

Carpathians (Poland) on the basis of integrated

2D interpretation of geological and geophysical images

JAN KUŚMIEREK

Faculty of Geology, Geophysics and Environment Protection, AGH University of Science and Technology, Al. Mickiewicza 30,

30-059 Kraków, Poland;  kusm@geol.agh.edu.pl

(Manuscript received March 4, 2009; accepted in revised form October 2, 2009)

Abstract: Integration of the information from surface and subsurface geological exploration (maps and well sections) and
results of geological reinterpretation of more than ten archival seismic sections and several dozen magnetotelluric sound-
ings  (MT;  published  and  archival)  implies  a  new  structural  picture  of  the  Carpathian  tectogene,  interpreted  to  depths
exceeding 10 km. The tectonics of nappes and their basement is illustrated by four regional cross-sections (derived from
geological and petroleum-exploration traverses) and examples of detailed interpretation of zones with complicated struc-
ture, as well as results of testing the initial structural models with application of the balanced cross-section method and
gravimetric modelling. In the tectonics, a complicated system of overthrusts and detachments of sedimentary covers (from
their  heterogeneous  basement)  represents  a  predominant  feature.  It  induced,  within  particular  nappes  and  tectonically
altered structural-facies units, specific systems of narrow folds with diversified geometries. Broad folds of the intermedi-
ate structural stage, which are gently sloping in the hinterland of the nappes, were interpreted on the basis of geophysics as
paraautochthonous elements. They cover deep-seated faults with large throws, which obliquely or subvertically dip to the
SW and were distinguished in the basement on the grounds of extreme contrasts at the resistivity boundaries. Zones of
dramatically low resistivities, which separate blocks of the uplifted basement, were interpreted as tectonic sutures with
geometry rebuilt in the stage of the Neogene lithosphere subduction. Therefore, the structural layout of the sedimentary
cover is characterized by more gently dipping nappe overthrusts of the sequential type and secondary, out-of-sequence
thrust slices, most frequently imbricate ones. The flysch covers resting over the tectonic sutures, particularly in margins of
inherited structural depressions, are characterized by more diversified tectonic style in comparison with peripheral, gently-
sloping covers thrust over the flexural platform slope, and with steep slices and imbricate thrusts having consequent NE
vergence. A specific type of dislocation is represented by flat inversional detachments (seismically documented) which are
accompanied by disharmonic folding of “thin-skinned” structural elements. In the eastern part of the foreland of the Dukla
overthrust, they form a developed system of backthrusts on the slope of a triangular structure superposed on a “shallower”
tectonic suture of the basement; the system replaces sets of fault-propagation folds developed in the eastern part of this zone.

Key words: Western Carpathians, subsurface mapping, tectonics of Alpides, fold and thrust belt, structural interpretation,
seismic sections, magnetotelluric soundings.

GEOLOGICA CARPATHICA, FEBRUARY 2010, 61, 1, 71—85                                            doi: 10.2478/v10096-010-0002-7

Introduction

The present state of growing knowledge of the tectonics and
evolution of the Outer Carpathians is characterized by an un-
usual  diversity  of  views,  dominated  by  overabundance  of
new conceptions and interpretive schemes which sometimes
depart from profound analysis of the recognized subsurface
geological  structure.  In  this  context  and  in  the  light  of
progress  in  methods  and  scope  of  investigations,  dimen-
sioned  cartographic  images  are  an  underestimated  element
for  justification  of  conceptual  models  and  investigation
projects. One of the sources of evidence for this is the results
from  deep  wells  drilled  into  the  eastern  part  of  the  Polish
Carpathians, sections of which significantly depart from the
assumed ones.

The  coherent  relation  of  surface  cartographic  images  and

well sections to geophysical models of subsurface tectonics
of structures, particularly to seismic images of the geometry
of  folds  in  the  cover,  represents  a  fundamental  problem  in
the  construction  of  acceptable  images  of  the  complicated

Carpathian tectonics. Interferential seismic records and their
low quality, as well as the lack of regionally continuous re-
flectors,  have  resulted  in  a  sceptical  attitude  towards  the
credibility of the seismic images from the Carpathian region,
acquired  through  standard  methods  of  field-data  processing
(e.g. Wdowiarz 1985).

Serious divergence is also found in the interpretation of the

depth of occurrence and tectonics of the basement of alloch-
thonous covers in the central zone of the fold and thrust belt.
Compared  with  seismic  refraction  profiles,  which  document
relatively regular and large-radius geometry of depressions in
the  basement,  the  results  of  several  hundred  magnetotelluric
soundings (MT) carried out in this area have provided a much
more complicated structural image.

Against the background of the interpretive implications out-

lined above, relatively little attention has been given to the in-
fluence of the disharmonic tectonics of structures in the cover
and basement on the obtained geophysical images of the geo-
logical  subsurface  setting.  This  problem  is  crucial  not  only
from the scientific point of view, but also for the credibility of

background image

72

KUŚMIEREK

Fig. 1. A  Location of the study area (framed) within the Polish segment of the Alpides; geostructural elements and units: I – Carpathian
Foredeep, II – Stebnik Unit, III – Boryslav-Pokuttya Unit, IV – Skole Unit, V – Sub-Silesian Unit, VI – Silesian Unit, VII – Dukla
Unit, VIII – group of Magura units, IX – Pieniny Klippen Belt, X – Podhale Trough, XI – Tatra Mts. B – Structural sketch of the
study  area  with  location  of  presented  2D  models  and  used  profiles  of  magnetotelluric  sounding.  1  –  lines  of  regional  cross-sections
(traverses); 2 – lines of detailed cross-sections (not in line with the traverses) and numbers of figures that illustrate them; 3 – line of the bal-
anced cross-section (Fig. 6); 4 – line of the seismic profile 34-15-96K tested through gravimetric modelling (Fig. 9); 5 – locations and numbers
of  magnetotelluric profiles (a – recorded by older-generation instruments – after Stefaniuk 2001 and Stefaniuk et al. 2002); 6 – numbers of
magnetotelluric  soundings  (MT)  which  documented  dramatic  denivelations  of  the  high-resistivity  horizon  (tectonic  sutures  of  the  base-
ment); 7 – location of deep-seated tectonic sutures; – location of “shallower” tectonic sutures; 9 – subsurface traces and denotation of
probable transversal faults in the basement of the tectogene; 10 – extent of the zone of deep tectonic shears of the basement, a – interpolated
traces of the above zone and probable tectonic shears (unformed—initial?); 11 – locations of deep wells; 12 – deep wells penetrating the Pre-
cambrian basement – numbers in parentheses determine thickness [m] of Miocene deposits under the Skole Nappe overthrust and depth [m]
to the Precambrian basement; 13 – surface intersection traces of groups of structural-facies units; 14 – surface intersection traces of bound-
aries of particular nappes and units; 15 – surface intersection traces of faults which dislocate them.

background image

73

2D INTERPRETATION OF SUBSURFACE STRUCTURE AND TECTONIC STYLE OF OUTER CARPATHIANS (POLAND)

petroleum-system modelling which requires as precise struc-
tural images as possible.

The aim of the paper is to present and to interpret two-di-

mensional  images  (mostly  unpublished)  of  the  subsurface
structure of the Outer Carpathians, worked out by the author
within  the  framework  of  the  Polish-Ukrainian  research
project  DWN/1818-1/2M  2005  entitled  “Transfrontier  stud-
ies of deep-seated geological structures in the marginal zone
of  the  Carpathians  from  the  point  of  view  of  the  potential
discovery and development of new oil and gas fields” (Capik
et  al.  2006).  To  reach  the  aim  it  was  necessary  to  integrate
the  previous  state  of  geological  recognition,  reinterpreted
and supplemented by results of new investigations, with re-
sults of modelling of petroleum systems in the interfluve of
the  San  River  (Poland)  and  Stryi  River  (western  Ukraine).
Seven  deep  regional  sections  (so-called  traverses)  were  the
objects  of  this  modelling.  Of  them,  four  western  ones  have
been  presented  in  this  paper.  The  essential  scope  of  the
present  paper  has  been  confined  to  structural  images  of  the
eastern part of the Polish Carpathians (Fig. 1) and analysis of
their tectonic style.

The  new  models  of  the  subsurface  structure  have  been

constructed on the basis of the results of geological interpre-

tation  carried  out  for  reprocessed  archival  seismic  sections
(Marecik  et  al.  2008)  and  MT  soundings  (Stefaniuk  2001,
2003; Stefaniuk et al. 2002), reinterpreted by the author. Com-
pared with previously published cross-sections (e.g. Poprawa
& Nemčok 1989; Kuśmierek 1990), the new interpretive op-
tions  of  the  geological  structure  have  been  supported  by
“segments”  of  geological-geophysical  images  (at  larger
scales) and by testing of their correctness through the meth-
ods of balanced cross-sections and gravimetric modelling.

Geostructural background

The eastern segment of the Western Carpathians is charac-

terized by discrepant setting of structural covers, which man-
ifests itself by disappearance of the structural-facies units of
the  Magura  Group  and  increment  of  units  of  the  Marginal
Group at the orogen front (Książkiewicz 1972; Oszczypko et
al.  2008).  They  encircle  so-called  Middle  Group  units  that
attain  the  largest  width  in  the  borderland  between  Poland,
Slovakia and Ukraine. The Middle Group is characterized by
increased thickness of the youngest flysch members (Oligo-
cene—Early  Miocene)  distinguished  as  so-called  Menilite—

Fig. 2. Synthetic structural-lithostratigraphic model of the eastern part of the Polish Carpathians. Geostructural elements and structural-facies
units:
 MG gr. – Magura Group of units, MD gr. – units and nappes of the Middle Group, Dk u. – Dukla, Sl n. – Silesian, Sub Sl u. – Sub-
Silesian, Sk n. – Skole, MR gr. – units of the Marginal Group, B-P u. – Boryslav-Pokuttya, St u. – Stebnik, Zg u. – Zgłobice; CFD – Car-
pathian Foredeep. Lithostratigraphic complexes. Carpathian Foredeep and units of the Marginal Group: 1 – autochthonous molasse (Late
Badenian—Sarmatian), 2 – postinversional cover (Late Sarmatian); folded deposits of the Early and Middle Miocene, 3 – of the Zgłobice Unit,
4 – of the Stebnik and Boryslav-Pokuttya units and patches of the transgressional cover that flatly overlies folded flysch deposits; flysch deposits
(locally in the form of patches under the Skole Nappe overthrust), 5 – erosional patches of the flysch cover on the platform slope (Late Eocene—
Oligocene), which were overthrust together with Stebnik molasses; Boryslav-Pokuttya Unit (Skole Series), 6 – Menilite Shales (Oligocene—Early
Miocene), 7 – Popeli Beds, Variegated Shales and Hieroglyphic Beds (Eocene), 8 – Inoceramian Beds (Ropianka Fm, Senonian—Paleocene).
Units of the Middle Group

: Skole Nappe7 and 8 – as above, 9 – Menilite-Krosno Series (Krosno Beds, Transition Beds and Menilite Beds,

Oligocene—Early Miocene), 10 – Siliceous Marls, Dołhe Shales, Spas Beds, Bełwin Mudstones (Hauterivian—Turonian); Sub-Silesian Unit:
11 – Menilite Beds and Krosno Beds (Oligocene), 12 – Variegated Shales, Węglówka Marls (Senonian—Eocene), 13 – Lgota (Gaize) Beds,
Veřovice Shales, Grodziszcze Sandstones and Cieszyn Beds (Valanginian—Cenomanian); Silesian Nappe13 – as above, 14 – Krosno Beds,
Transition Beds and Menilite Beds (Oligocene—Eggenburgian),  15 – Hieroglyphic Beds and Ciężkowice Sandstones (Eocene), 16 – Istebna
Beds, Godula Shales (Turonian—Paleocene); Dukla Unit17 – Krosno Beds, Transition Beds, Cergowa Beds and Menilite Shales (Oligocene),
18 – Variegated Shales, Przybyszów Sandstones, Hieroglyphic Beds (Eocene), 19 – Majdan Beds, Cisna Beds and Łupków Beds (Senonian—
Paleocene). Pre-Alpine basement of the Carpathian tectogene: 20 – deposits of the Early Mesozoic and Paleozoic (undifferentiated),
21 – Precambrian (Vendian—Early Cambrian?). Graphical symbols: 22 – overthrusts which distinguish groups of units, 23 – overthrusts of
particular nappes and units, 24 – faults in the basement, 25 – stratigraphic unconformities and sedimentary-erosional gaps.

background image

74

KUŚMIEREK

Krosno  Series  (Jucha  &  Kotlarczyk  1958)  that  covers  (to-
gether  with  older,  Cretaceous—Oligocene  flysch  series)  the
deep-seated  basement  of  the  tectogene  (Fig. 2).  Denivela-
tions of the basement are probably connected with the highest
gradients  of  the  lithosphere  thickness  variations  within  the
Carpathian arc, between the Pannonian mantle diapir (approx-
imately 60 km) and the platform slope (up to 200 km), accord-
ing to seismological and magnetotelluric data (Konečný et al.
2002).  These  disproportions  also  become  manifest  in  the
Earth’s  crust  thicknesses  which  are  reflected  in  the  Moho
discontinuity position (Kuśmierek & Ney 1988; Bielik 1999).
New  and  original  results  (Zeyen  et  al.  2002;  Dérerová  et  al.
2006) confirm the above suggestions.

Probably the major part, if not the whole flysch cover, was

detached from its original basement along thrusts that sheared
bottom shale complexes of the Early Cretaceous, locally of the
Eocene.  Against  this  background,  nappe  covers,  formed  of
thick  turbidite  sequences  of  the  Late  Cretaceous—Paleocene
and  Oligocene,  should  be  discerned  from  tectonically  dis-
turbed structural-facies units with condensed thickness, which
originated from paleoelevations (Kuśmierek 1990).

According to Konečný et al. (2002), at the junction of the

Western  and  Eastern  Carpathians,  the  slope  of  the  subduct-
ing platform in the Karpatian—Early Badenian times was dis-
located by an oblique deep-seated fracture directed SW—NE.
The  application  of  seismic  tomography  and  thermal  model-
ling,  has  enabled  us  to  identify  on  the  eastern  side  of  this
fracture  a  steeply  dipping  detached  slab  of  the  continental
lithosphere, which was submerged in the asthenosphere un-
der the Outer Carpathian arc.

In  the  author’s  opinion,  geodynamic  mobility  of  the  litho-

sphere at the junction of the Western and Eastern Carpathians
becomes  evident  as  early  as  in  the  sedimentary  stage,  in  the
form  of  considerable  facies  and  thickness  variations  of  the
Cretaceous—Eocene  sandstone  series,  which  in  the  Marginal
Group were expressed most strongly in the Late Miocene. Un-
doubtedly, it had an effect in the form of the diversified tec-
tonic  style  of  allochthonous  covers  and  implied  their
correlation  in  the  transfrontier  zone  between  Poland  and
Ukraine. This refers especially to the flysch – molasse units
of the Marginal Group, which were formed in a late-geosyn-
clinal relict subbasin (Kuśmierek 1984; Konečný et al. 2002).
Thickness of molasses that filled the subbasin is dramatically
reduced in the zone of the meridional bend of frontal folds and
thrusts  of  the  Middle  Group,  which  is  called  the  Przemyśl
Sigmoid,  conventionally  accepted  as  the  border  between  the
Western and Eastern Carpathians (Świdziński 1971).

To  NW  of  the  Przemyśl  Sigmoid  only  fragments  of  the

Stebnik cover were preserved at the front and at the base of the
Skole overthrust. Combining the tectogenesis of the Przemyśl
Sigmoid  with  the  above  mentioned  deep-seated  fracture  and
taking into account the prominent discrepancy of the arrange-
ment of the marginal thrusts, as well as the subordinate tecton-
ic engagement of the Middle Miocene molasses in relation to
the Early Miocene ones and to the flysch deposits, one should
infer  that  the  activity  of  this  fracture  did  not  reach  the  relict
subbasin or it ceased in the Late Sarmatian.

Transversal  deep-seated  faults  of  the  strike-slip  fracture

type,  which  dislocated  zones  of  the  buried  basement  and

were identified by interpretation of the geophysical surveys
and remote-sensing analyses (Kuśmierek 1990; Doktór et al.
1990), in the study area reveal a radial arrangement (Fig. 1)
and  are  not  directly  reflected  in  the  tectonics  of  the  alloch-
thonous  covers,  as  the  tectonics  are  dominated  by  ductile
continuous  deformations  and  thrusts  induced  by  centripetal
subduction  of  (rigid)  blocks  of  the  platform  slope  and  their
subsurface wedging (Kuśmierek 1996).

Criteria of integration of the geological and

geophysical investigations

The recognition of the subsurface geological setting of the

study  area  is  very  irregular.  The  marginal  part  of  the  Car-
pathians  is  best  documented  by  wells  and  seismic  profiles,
which  have  been  inspired  by  exploration  for  gas  accumula-
tions in the underlying Miocene molasses and by searching for
a  westward  extension  of  deep-seated  folds  of  the  Boryslav-
Pokuttya Unit. On the contrary, the worst is the recognition
of the southeastern part where few deep wells have penetrat-
ed the thick cover of Oligocene deposits.

The study area is located in the central part of the “trans-

frontier” geological map of the Polish, Ukrainian and Slovak
Carpathians  on  the  scale  of  1 : 200,000  (Jankowski  et  al.
2004),  accepted  as  the  input  source  of  surface  information,
constrained in zones of complicated tectonics by cartograph-
ic images (published and archival) on larger scales.

The  situations  of  the  constructed  cross-sections,  oriented

perpendicularly to fold strikes, were controlled by locations of
deep wells and seismic profiles in such a way as to acquire a
possibly uniform image of the geological setting between the
Dukla  Unit  overthrust  and  the  Carpathian  Foredeep  (Fig. 1).
Construction  of  the  geological-seismic  cross-sections  (origi-
nally scaled to 1 : 50,000) was based on geological interpreta-
tion  of  several  dozen  reprocessed  archival  seismic  sections
with digital recording, acquired by the “Geofizyka – Kraków
Company”  in  the  years  1977—1996,  and  a  few  made  by  the
“Geophysical Exploration Company” (PBG) from Warsaw, as
well as on geological reinterpretation of earlier sections with
analog  recording.  Application  of  a  modified  procedure  for
seismic data processing in the ProMAX system (Marecik et al.
2008)  significantly  improved  the  quality  of  the  seismic  sec-
tions in terms of their dynamics and resolution.

Well  sections  which  were  not  located  on  traces  of  the

traverses  or  seismic  sections  were  projected  in  accordance
with the strikes of outcrops of lithostratigraphic complexes. In
justified cases, tectonic interpretation of fragments of the well
sections was corrected in order to receive better relation to car-
tographic and seismic images, among others through recalcu-
lation of measured (true) dips into apparent dips when a trace
of a cross-section was oblique to the strikes of structures.

A fundamental criterion of construction of the geological-

seismic cross-sections was acknowledgement of factual data
in such a way as to secure consistence of the interpreted ge-
ometry of structures and dislocations with their intersection
traces  and  well  sections,  and  the  highest  degree  of  consis-
tence with the pattern of reflectors. Lithostratigraphic identi-
fication of the reflectors could have been justified only by a

background image

75

2D INTERPRETATION OF SUBSURFACE STRUCTURE AND TECTONIC STYLE OF OUTER CARPATHIANS (POLAND)

few synthetic seismograms (Kuśmierek & Baran 2008) that
could  be  generated  for  well  sections  possessing  the  neces-
sary sets of geophysical measurements.

Structural-lithostratigraphic criteria of classification of the

tectonostratigraphic  units  that  form  the  eastern  part  of  the
Polish Carpathians, as well as the structural sequence of the
covers,  were  compiled  in  Fig. 2,  explanations  of  which  as-
cribe  sediments  composing  the  covers  to  individual  litho-
stratigraphic  successions.  During  the  construction  of  the
geological-seismic  cross-sections  and  regional  traverses,
characteristic  thickness  variation  trends  were  ascribed  to
lithostratigraphic  members,  in  order  to  scale  most  reliably
the  geometry  of  structures  through  using  the  available  pro-
files  and  thickness  maps  (e.g.  Kuśmierek  et  al.  1995).  The
most rapid (sometimes dramatic) thickness changes are char-
acteristic of turbiditic deposits, as well as limbs of Oligocene
synsedimentary  folds  and  lithosomas  of  coarse-clastic
Grodziszcze, Ciężkowice and Kliwa sandstones.

First-order objects of interpretation of the seismic sections

were  represented  by  images  of  the  subsurface  geometry  of
tectonic dislocations documented by surface mapping and/or
well sections, that means strike-slip faults and thrusts of var-
ious  orders,  subsurface  traces  of  which  were  approximated
with  the  arc  geometry.  Tracing  of  them  was  not  difficult,
particularly on seismic sections which were characterized by
good readability of reflectors. In this phase of interpretation,
numerous  subsurface  dislocations  were  detected,  which  do
not appear in the surface intersection image or have not been
documented  by  mapping.  Identification  of  stratigraphic  un-
conformities  in  the  basement  of  the  tectogene  and  contour-
ing  of  flysch  elements  (patches)  within  the  Stebnik  Unit
caused greater difficulty and uncertainty.

Afterwards,  the  structural  arrangement  of  the  lithostrati-

graphic  boundaries  was  introduced  into  the  obtained  image
of the discontinuous tectonics, first of all on the basis of the

sistivity distribution in sediments that build the allochthonous
covers (Stefaniuk 2001, 2003; Stefaniuk et al. 2002).

In the first approximation, the lateral character of resistivity

changes in geoelectric cross-sections can be ascribed to three
hypsometric levels:

 the  shallow  level  with  low  and  medium  (sporadically

higher) values, strongly diversified and predominantly oblique
(vergent) resistivity boundaries; according to the depth criteri-
on, the level corresponds to the allochthonous covers;

 the intermediate level with variable thickness (from 0 to a

few  km),  which  is  dominated  by  subhorizontal  resistivity
boundaries;  the  level  corresponds  to  the  Miocene  autochtho-
nous  molasses  and  hypothetical  paraautochthon  of  unidenti-
fied age;

 the  deep  level  with  extreme  resistivity  contrasts  in  the

complexes  which  rest  obliquely,  often  subvertically,  with
maximal  resistivity  values  correlated  with  the  Precambrian
basement  and  with  low  values  corresponding  to  younger  (?)
altered rocks.

The  position  of  the  base  of  the  intermediate  level  corre-

sponds to the hypsometry of refraction seismic horizons and it
probably reflects the morphology of the Mesozoic, Paleozoic,
and  Precambrian  basement.  Identification  of  the  top  of  this
level is evident in seismic sections within the marginal part of
the Carpathians as sharp boundaries of nappe thrusts over the
autochthonous molasses. It causes, however, difficulty in the
hinterland  of  the  nappes  (Lizoon  &  Zayats  1997)  because  of
weakly  diversified  seismic  image  over  the  subhorizontal  re-
flection system; the system suggests the occurrence of second-
order detachments rather than hypothetical nappe overthrusts
and even “junction” of the covers (?).

The results of the MT sounding were interpreted in different

manners (e.g. Kuśmierek 1990; Ryłko & Tomaś 2005 and ref-
erences therein), often conservatively (e.g. fig. 4 in Stefaniuk
2006) in relation to the complicated structural arrangement of

Fig. 3. Interpretation of magnetotelluric soundings in the southern part of the geoelectric cross-
section No. 17 (see Fig. 1) Maniów—Przemyśl (adapted and supplemented after Stefaniuk 2003,
with  permission).  Identification  of  tectonic  sutures  in  the  consolidated  basement  (according  to
the author): deep ones (x

1

, x

2

, x

3

) and shallower one (y

1

).

geological  information  from  sec-
tions of outcrops and wells, and on
regional  premises  referring  to  par-
ticular  zones  or  structural-facies
units.  In  the  seismic  sections,  best
readable was the structural arrange-
ment  of  flat-lying  fold  limbs,
whereas  zones  of  their  hinges  and
intense  continuous  deformations
were  characterized  by  the  interfer-
ential  records  of  the  wave  field,
controlled  by  known  properties  of
the seismic imaging method.

The  geological  interpretation  of

the morphology and structure of the
tectogene basement was based upon
the 

results 

of 

magnetotelluric

sounding  realized  by  PBG  Warsaw
in the years 1975—1990 with the use
of  analog  instruments,  and  next  in
the years 1997—2001 with the use of
new-generation  high-frequency  in-
struments  that  made  it  possible  to
acquire  information  also  on  the  re-

background image

76

KUŚMIEREK

the  resistivity  boundaries  of  the  deep  level  in  the  geoelectric
cross-sections (Stefaniuk 2001, 2003).

Figure 3 presents an example of a probable location of com-

pressional tectonic sutures, according to the author’s interpre-
tation, which are correlated with dramatic denivelations of the
high-resistivity horizons. Their geometry and hypsometric po-
sition  justify  distinguishing  deep  and  shallower  sutures,  the
later (subordinate) are relatively “flatter” and most often occur
in the margins of the zone of the buried basement of the tecto-
gene  (Fig. 1).  Nevertheless,  they  are  also  contoured  by  high
resistivity  contrasts  (Fig. 4)  which  suggest  the  presence  of
subhorizontal  shears  of  the  Precambrian  basement  separated
by fragments of the “wedged” sedimentary cover (?).

The geometry and subsurface intersection of the postulated

compressional sutures are undoubtedly disturbed by transver-
sal  faults,  probable  traces  of  which  (Fig. 1)  were  determined
on the basis of analysis of the geoelectric cross-sections, and
structural  and  resistivity-distribution  maps  of  the  top  of  the
basement (figs. 15 and 16 in Stefaniuk 2003). The idea of the
tectonic sutures in the basement of the tectogene refers to the
author’s earlier publications (Kuśmierek 1990, 1996) and to

the  lithosphere  model  along  the  RP-X  traverse  (fig. 16  in
Bielik 1999) with the suggested position of the northern me-
gasuture  located  under  the  eastern  part  of  the  Polish  Outer
Carpathians.

Characteristic features of the geological structure

and examples of its imaging

Integrated interpretation of the two-dimensional geological

and  geophysical  images  according  to  the  criteria  described
above documents a new, more complicated picture of  the tec-
tonics  of  the  flysch  series  (Fig. 5),  particularly  in  zones  of
structural  depressions  which  are  characterized  by  the  dishar-
monic style of surface (thin-skinned) and subsurface tectonic
deformations.  The  detachments  found  in  numerous  seismic
sections,  among  others  in  31-19-94K  (Fig. 5A),  enabled  the
author to carry out more profound interpretation of complicat-
ed  folds  recognized  in  well  sections,  which  do  not  appear  in
the  surface  cartographic  image.  The  origin  of  these  detach-
ments  is  probably  connected  with  the  advanced  stage  of  the
tectonic compression, which is suggested by divergent direc-
tions of displacements (within their limbs). Some of these de-
tachments  may  represent  reactivated  compressive  reverse
faults (Letouzey 1990); nevertheless, they belong to a younger
generation of tectonic shears when compared with steeply dip-
ping  out-of-sequence  overthrusts,  traces  of  which  they  dislo-
cate. Thrusts of the sequential type are most weakly imaged in
their far hinterland, which is illustrated by an example of a hy-
pothetical  detachment  of  the  Skole  Nappe  from  the  paraau-
tochthon that occurs at depths exceeding 7000 m (Fig. 5A).

Complicated  deformations  are  most  frequently  associated

with  inherited  structural  depressions  in  which  predominantly
thick series of the Krosno lithofacies deposits were preserved;
the  deposits  reveal  anisopachous  thickness  distributions  in
limbs of folds of the synsedimentary type. In order to date the
development  of  these  deformations  as  potential  hydrocarbon
traps,  paleostructural  models  were  constructed  with  applica-
tion  of  the  balanced  cross-sections  (Kuśmierek  et  al.  2001),
among  which  one  was  oblique  to  the  line  of  the  traverse I
(Fig. 1)  and  imaged  development  of  folds  and  thrusts  within
the Silesian Nappe.

In the southern part of the nappe, the balancing results docu-

ment development of synsedimentary thrusts of the imbricate
type,  which  generated  so-called  fault-propagation  folds,
whereas  in  the  eastern  part,  at  the  nappe  front,  detachment
folds (Mitra 1986) were formed.

Unlike the widely used numerical options (e.g. Nemčok et

al. 2006), a manual procedure of balancing was applied. The
balancing was carried out for full thicknesses of the youngest
sediments, that means also their thicknesses removed by ero-
sion  in  the  inversional  stage  (Fig. 6B,  C),  according  to  the
complicated procedures described by Kuśmierek et al. (1995).
The constructed models have proven that initial synsedimen-
tary deformations were formed before the time of sedimenta-
tion  of  the  Jasło  Limestone  stratigraphic  member  (Fig. 6A)
and  became  intensified  at  the  turn  of  Oligocene  and  Early
Miocene,  that  is  before  sedimentation  of  the  transgressive
Middle  Miocene  molasses  (Fig. 6C).  They  have  also  con-

Fig. 4. Resistivity contrasts in profiles of magnetotelluric soundings
in  the  Wetlina—Ustrzyki  Dolne  cross-section  (after  Stefaniuk  et  al.
2002,  unpublished  materials).  According  to  the  author’s  interpreta-
tion, they document the “shallow” tectonic suture in its southern part
(Fig. 1, profile No. 18). 1 – magnetotelluric sounding (MT), 2 – re-
sistivity of complexes, 3 – location of the suture.

background image

77

2D INTERPRETATION OF SUBSURFACE STRUCTURE AND TECTONIC STYLE OF OUTER CARPATHIANS (POLAND)

Fig. 5. 

Traverse 

I: Jaśliska—Husów.

 1

 – autochthonous molasses (Late Badenian—Sarmatian), 

2

 – folded molasses of the Stebnik and Zgłobice U

nits (Ottnangia

n—Early Sarmatian), undifferentiat-

ed; 

deposits 

of 

Oligocene—Early 

Miocene 

(Ol—M

1

): 

3

 –

 position 

of 

the 

Jasło 

Limestone 

stratigraphic 

member 

(approx

imately 28 Ma), 

– 

Supra-Jasło 

Complex 

(Ol

2

—M

1nj

), 

 Sub-Jasło 

Com-

plex 

(Ol

1pj

), 

4

 –

 O

li

g

o

ce

n

li

th

o

facies: 

– 

Krosno 

(k

r

), 

– 

Menilite 

and 

Transition 

(m

+

km), 

5

 –

 Eocene 

deposits 

(E); 

6

 –

 C

retaceous—Paleocene 

deposits: 

– 

Paleocene—Senonian 

(K

2

—P),

– 

older 

(Sub-Senonian, 

K

1

), 

7

 –

 subsurface 

structural 

elements 

of 

unidentified 

age 

(Paleogen

e—Late 

Mesozoic, 

pre-flysch?), 

gently 

sloping 

under 

nappe 

overt

hrusts 

(paraautochthon?), 

8

 –

 d

e-

posits 

of 

Early 

Mesozoic 

(Jurassic—Triassic?) 

and 

Paleozoic 

(un

differentiated), 

9

 –

 high-resistivity 

basement, 

Precambrian 

(Riphean—Vendian—Earl

Cambrian?), 

according 

to 

magnetotelluric

sounding, 

10

 –

 low-resistivity 

lithostratigraphic 

complexes 

(recorded 

by 

ma

gnetotelluric 

sounding) 

which 

separate 

uplifts 

of 

basement 

bloc

ks 

– 

interpreted 

by 

the 

author 

as 

tectonic 

sutures 

(roots

of 

nappes 

of 

the 

Middle 

and 

Marginal 

groups?), 

11

 –

 stratigraphic 

unconformities, 

12

 –

 nappe 

overthrusts, 

13

 –

 lower-order 

overthrusts 

(tectonic 

slices) 

and 

faults, 

docume

nted 

by 

mapping, 

drill-

ing 

and/or 

seismic, 

14

 –

 probable 

faults 

in 

the 

basement, 

with 

geometry 

interpreted 

b

the 

author 

on 

the 

basis 

of 

magnetotelluric 

sounding, 

15

 –

 probable 

subsurface 

detachments 

of 

nappe 

covers

from 

paraautochthonous 

elements, 

16

 –

 location 

and 

denotatio

n

 o

well 

section, 

17

 –

 well 

section 

projected 

onto 

the 

traverse 

plane, 

18

 –

 number 

of 

seismic 

section

– 

seismic 

image 

of

su

b

surface 

tectonics 

in 

the 

axial 

part 

of 

the 

Central 

Carpathia

Synclinorium. 

19

 –

 Quaternary 

(Q); 

Silesian 

Series, 

lithostratigraphic 

complexe

s: 

Oligocene—Early 

Miocene 

deposits 

(Ol—M

1

):

20

 –

 Middle 

and 

Upper 

Krosno 

Beds 

(undifferentiated, 

k

r

2—3

), 

21

 –

 Lower 

Krosno 

Beds 

(k

r

1

), 

22

 –

 Transition 

Beds 

(km), 

23

 –

 Menilite 

Beds 

(m); 

older 

deposits: 

24

 –

 Eocene 

(E), 

25

 –

 S

e-

nonian—Paleocene 

(P—K

2

), 

26

 –

 Early 

Cretaceous 

(Sub-Senonian, 

K

1

); 

27

 –

 paraautochthon 

(PA?), 

28

 –

 seismic 

reflectors.

background image

78

KUŚMIEREK

Fig. 6. Image of development of synsedimentary tectonic deformations during Late Oligocene—Early Miocene times obtained through applica-
tion of the balanced cross-section method to the Silesian Nappe along the traverse I (Fig. 1)  according to unpublished materials (Kuśmierek,
Maćkowski et al. 1996). Paleostructural models: A – during sedimentation of the Jasło Limestone stratigraphic horizon (approximately
28 Ma); B – in the final stage of sedimentation of the Krosno Lithofacies (Egerian?); C – in the stage preceding the final inversion of the
Silesian Nappe (Late Karpatian—Early Badenian?). 1 – Dukla Unit, 2 – relative datum line of the paleostructural models, 3 – hypothetical
sea level and paleomorphological profile of the Jasło Limestone basin (model A), 4 – lithostratigraphic complexes – Menilite-Krosno Series:
a – Supra-Jasło Complex, b – Sub-Jasło Complex, 5 – Eocene deposits, 6 – Cretaceous—Paleocene deposits: a – younger (Senonian—
Paleocene), b – older (Sub-Senonian), 7 – transgressive Miocene deposits, 8 – hypothetical position of nappe overthrusts, 9 – secondary
overthrusts (tectonic slices) and synsedimentary faults.

firmed  the  correctness  of  tectonic  interpretation  of  the
present-day subsurface cross-section as the input for the bal-
ancing method.

Figure 7  presents  the  geological  structure  along  the

traverse II (Fig. 1). In its southern part, the seismic image doc-
uments common occurrence of typical fault- (thrust-) propaga-
tion  folds,  whereas  its  northern  part  is  built  up  of  structures
with highly diversified origin and geometry. Specific features
of tectonics at the front of the nappe overthrusts of the Middle
Group were depicted in Fig. 7A and B. In the zone of the over-
thrust covers of the Silesian Nappe and Subsilesian Unit, the
seismic  image  is  weakly  readable  due  to  rapid  changes  of
thickness  and  lithology  of  interfingering  flysch  members  (of
both  the  sequences)  and  their  steep  dips,  which  was  recog-
nized,  among  others,  in  the  Bykowce  IG-1  well  section
(Fig. 7A).  These  changes,  in  particular  rapid  wedging  out  of
thick series of Paleogene sandstones, undoubtedly influenced
the  intensity  of  the  tectonic  deformations,  typical  also  of  the
outcrops of this zone (Malata 1997).

A distinctive character of tectonic deformations is typical

of the front of the Skole Nappe overthrust. At its base, tec-
tonically altered fragments of the Stebnik cover occur, and in
the zone of wedging out of the autochthonous Miocene mo-
lasses  (encountered  in  the  Bachórzec-1  well),  flat  tectonic

shears in the Precambrian basement also dislocate the nappe
base (Fig. 7B).

The northern part of the traverse III (Fig. 8) illustrates spe-

cific features of tectonics of the Marginal Group units and of
the Skole Nappe front in the Przemyśl Sigmoid zone (Fig. 1).
Long  imbricated  folds  (“skybas”)  and  tectonic  slices  of  the
Skole Nappe and wedging out Boryslav-Pokuttya Unit (Gluško
1968)  are  thrust  over  intensely  folded  older  molasses  of  the
Stebnik Nappe, which are dislocated by flat thrusts (Fig. 8A).
The intensity of the tectonic deformations declines in the sec-
tion of younger members building up the Stebnik cover that is
locally  overlain  by  transgressive  conglomerates  of  the  Late
Miocene.  A  specific  feature  of  the  Stebnik  Nappe  tectonics
in the borderland between Poland and Ukraine is represented
by  erosional  patches  of  the  youngest  members  of  the  Skole
Series, encountered at the base of the nappe. The patches are
detached  and  overthrust  together  with  the  covering  molasses
which rest with a sedimentary gap (Fig. 8A). Their extent was
contoured  in  more  than  ten  seismic  sections  (Kuśmierek  &
Baran 2008) on the basis of such criteria as continuity decline
and/or  angular  unconformities  of  seismic  reflections  in  the
vicinity of the wells that encountered these patches.

The  subsurface  structure  of  the  southern  part  of  the

traverse III (to S of the Kuźmina-1 well) has been well recog-

background image

79

2D INTERPRETATION OF SUBSURFACE STRUCTURE AND TECTONIC STYLE OF OUTER CARPATHIANS (POLAND)

Fig. 7. 

Traverse 

II: 

Bukowsko—Łopuszka 

Wielka

 (Explanations 

as 

for 

Fig. 5).

 A

 

 Tectonic 

style 

and 

thickness 

reduction 

trends 

of 

flysch 

covers 

in 

the 

Silesian 

overthrust 

zone 

– 

position 

of

the 

cross-section 

was 

marked 

(on 

the 

traverse) 

and 

its 

line 

w

as 

marked 

7A 

(in 

Fig. 1). 

Lithostratigraphic 

complexes – Menili

te-Krosno 

Series: 

1

 –

 Supra-Jasło 

Complex, 

2

 –

 Sub-Jasło

Complex; 

3

 – Eocene deposits, 

4

 – Senonian—Eocene deposits in the Sub-Silesian Unit (undiffere

ntiated), 

– Senonian—Paleocene deposits, 

6

 – Early Cretaceous deposits (Sub-Senonian);

graphical 

symbols: 

7

 –

 lithostratigraphic 

boundaries, 

8

 –

 nappe 

overthrusts, 

9

 –

 lower-order 

overthrusts 

(tectonic 

slices), 

10 

– 

dips 

of 

beds, 

11

 –

 well 

section.

 B

 

 Seismic 

image 

of 

geom-

etry 

of 

the 

overthrusts 

and 

wedging 

out 

autochthonous 

Miocene 

m

olasses 

in 

the 

marginal 

zone 

of 

the 

Carpathians. 

Allochthonous 

units; 

Skole 

Series 

– 

symbols 

of 

lithostratigraphic 

complexes:

12

 – Krosno Lithofacies (Ol

2

—M

1

kr

, undifferentiated); Stebnik Unit 

and Zgłobice Unit: 

13

 – folded Miocene molasses (M

1—2

st

, Late Karpatian—Early Sarmatian, 

undifferentiated); basement o

f

the tectogene: 

14

 – autochthonous Middle Miocene molasses (M

2

aut

, Late Badenian—Sarmatian, undifferentiated), 

15

 – Precambrian (Pr); explanation of the remaining lithostratigr

aphic sym-

bols (m, E, P—K

2

K

1

) – as for Fig. 5A.

background image

80

KUŚMIEREK

Fig. 8. 

Traverse 

III: 

Komańcza—Jaksmanice: 

1

 –

 erosional 

patches 

of 

the 

flysch 

cover 

on 

the 

platform 

slope 

at 

the 

base 

of 

the 

Stebnik 

Unit 

(F, 

Late 

Eocene—Oligocene), 

2

 –

 deposits 

of 

the 

Zgłobice

Unit 

(M

2

Zg

); 

remaining 

explanations 

as 

for 

Fig. 5 

and 

cross-section 

A.

 A

 

 Geological-seismic 

image 

of 

tectonics 

of 

the 

Marginal 

Group 

of 

allochthonous 

units 

and 

their 

basement 

in 

the 

borderland

between 

Poland 

and 

Ukraine 

(after 

Kuśmierek 

Baran 

2008, 

repri

nted 

with 

permission).

 Flysch 

lithostratigraphic 

complexes 

(of 

the 

Skole 

Nappe 

and 

Bor

yslav-Pokuttya 

Unit): 

3

 –

 Menilite 

Beds

(Ol

m

), 

4

 –

 Hieroglyphic 

Beds 

and 

Variegated 

Shales 

(E

h

), 

5

 –

 Inoceramian 

Beds 

(Ropianka 

Fm, 

Senonian—Paleocene, 

K

2

in

-P), 

6

 –

 Siliceous 

M

arls 

(Turonian, 

K

2

mk

), 

7

 –

 older 

Cretaceous 

de-

posits 

(Turonian—Hauterivian); 

folded 

molasses 

(Late 

Ottnangian

—Early 

Sarmatian): 

8

 –

 Vorotyšča 

Beds 

(Saliferous 

Clay, 

M

1

W

), 

9

 –

 Dubnik 

Conglomerate 

(M

1

D

), 

10

 –

 Stebnik 

Beds 

(M

2

st

),

11

 –

 Balyč 

Beds 

(M

2

b

), 

12

 –

 Przemyśl 

Beds 

(M

2

p

), 

13

 –

 Radyč 

Conglomerate 

(M

2

R

– 

postinversional 

cover?

background image

81

2D INTERPRETATION OF SUBSURFACE STRUCTURE AND TECTONIC STYLE OF OUTER CARPATHIANS (POLAND)

Fig. 9. Optimization of the density model along the traverse III (seismic profile 34-15-96K, its line is in Fig. 1) (after Ostrowski & Targosz
2006, unpublished materials of the Geophysical Exploration Company) on the basis of the author’s geological interpretation and density
data. Lithostratigraphic explanations as for Figs. 2, 5, 7; remaining explanations – see the figure.

nized by the seismic profile 34-15-96K and MT (profile 16 in
Fig. 1), running parallel to its line. In order to validate the MT
results,  which  document  huge  denivelations  of  the  Precam-
brian  basement,  and  to  carry  out  preliminary,  working  inter-
pretation  of  the  tectonics  of  the  flysch  cover,  gravimetric
modelling  was  conducted  along  its  line  (Fig. 1).  After  rather
insignificant correction of rock densities, the modelling results
have confirmed correctness of the interpretation of the sub-
surface  geological  structure,  as  “errors”  of  matching  of  the
modelled gravitational effect with observed anomalies (mea-
surement data – Fig. 9) were insignificant.

Along  the  traverse IV,  which  was  worst  documented  by

seismics  (Fig. 10),  the  foreland  of  the  Dukla  Unit  and  Skole
Nappe is characterized by the most complicated tectonics. The
accepted  interpretation  of  the  specific  tectonics  in  the  so-
called Bieszczady facies subregion (Kuśmierek 1979), which
extends from the Dukla thrust up to the Otryt thrust (O—O in
Fig. 10), has been supported by seismic documentation of the
southern  segment  of  the  FII/I-74/75  profile  (line 10A  in
Fig. 1) that crosses the outcrops of the oldest (in this part of
the  Carpathians)  flysch  formation  members  in  the  tectonic
element  called  the  Bystre  scale  (Ślączka  1959).  Detailed
mapping conducted by the author (Kuśmierek 1979) has docu-

mented  that  this  element  constitutes  a  frontal  digitation  of  a
fold overturned to the NE (of the pseudosyncline type), which
is also revealed by the geometry of reflectors (Fig. 10A).

Occurrence  of  upturned  rock  series,  combined  with  pres-

ence  of  tectonic  windows  and  patches  and  backthrusts,  was
also noted in the Ukrainian part of so-called Fore-Dukla Zone,
among others in the upper Uzh drainage basin (Danysh 1973).

Occurrence  of  backward  thrust  tectonic  elements  was  also

identified in the Polanki IG-1 (Fig. 10) and Suche Rzeki IG-1
(Fig. 10B) well sections. The structural arrangement of reflec-
tions in both the seismic sections, which accentuates the diver-
gent,  disharmonic  structure  of  detached  and  tectonically
reactivated  structural  elements,  indirectly  reflects  the  mor-
phology of the basement.

The complicated tectonics of the internal synclinorium of

the Skole Nappe, before the front of the Silesian overthrust,
was  recognized  in  the  deep  wells  Jasień  IG-1  and  Brzegi
Dolne IG-1. Its deep-seated elements are also imaged by the
W00 70 276 seismic profile recorded by PBG (Fig. 10). The
Jasień  IG-1  well  section  documented  a  complex  system  of
tectonic  shears  that  do  not  appear  in  the  surface  structure.
They dislocate steep and locally backward inclined folds de-
void  of  the  Lower  Cretaceous  deposits.  The  folds  had  been

background image

82

KUŚMIEREK

Fig. 10. 

Traverse 

IV: 

Cisna 

(Poland)—Chidnovichi 

(Ukraine); 

the 

Ukrainia

part 

was 

corrected 

with 

unpublished 

materials 

of 

C. 

Zayats 

an

P. 

Loziniak.

 Early 

Miocene 

folded 

molasses 

of 

the 

Bo-

ryslav-Pokuttya Unit: 

1

 – Poljanica Beds, 

2

 – Vorotyšča Beds (Saliferous Clay); remaining explanations as 

for Figs. 5, 8.

 A 

 Interpretation of tectonics of structures in the foreland of th

e Dukla

Unit along the seismic section FII/I-74/75 (southern fragment; 

see Fig. 1, line 10A) on the 

basis of seismic documentation (Pe

pel, Bardadyn, Patryas – Geophysical Exploration Company, Warsa

w

1974/75, 

unpublished 

materials) 

and 

cartographic-structural 

inv

estigations 

(Kuśmierek 

1979).

 Menilite-Krosno 

Series 

(Oligocene): 

– 

Middle 

Krosno 

Beds 

(Ol

k2

), 

4

 –

 Lower 

Krosno 

Beds 

(Ol

k1

),

5

 – Transition Beds and Menilite Beds (undifferentiated, Ol

km+m

); older deposits: 

6

 – Eocene—Ciężkowice Sandstones, Variegated Shales and Hierogly

phic Beds (E

h

), 

7

 – Paleocene—Cretaceous

(undifferentiated 

Istebna 

Beds, 

Lgota 

Beds, 

Grodziszcze 

Sandsto

nes, 

Cieszyn 

Beds, 

P-K),

 8

 –

 overthrust 

of 

the 

Dukla 

Unit 

(Dk 

u.), 

9

 –

 paraautochthon 

(PA?),

 1

0

 –

 overthrusts 

of 

lower 

orders 

and

faults, 

11

 –

 erosional 

outliers 

of 

the 

thrust 

upper 

limb 

of 

the 

Iwonicz—R

udawka 

Rymanowska 

Fold, 

12

 –

 seismic 

reflections, 

13 

– 

well 

location 

and 

symbol. 

 Interpretation 

of 

tectonics 

of

structures 

in 

the 

southeastern 

part 

of 

the 

seismic 

section 

15-I

-71K 

(see 

Fig. 1, 

line 10B) 

on 

the 

basis 

of 

seismic 

documentati

on 

(Shöppl 

Bednarz 

1972, 

Polish 

Oil 

and 

Gas 

Company 

Kraków, 

u

n-

published 

materials) 

and 

cartographic-structural 

investigations

 (Kuśmierek 

1979). 

Lower 

Krosno 

Beds 

(divided): 

14

 –

 sandstone 

complex 

(Ol

P

k1

), 

15

 –

 sandstone-shale 

complex 

(Ol

k1

); 

remain-

ing 

explanations 

as 

for 

Fig. 10A.

background image

83

2D INTERPRETATION OF SUBSURFACE STRUCTURE AND TECTONIC STYLE OF OUTER CARPATHIANS (POLAND)

detached from the underlying deep-seated fold with the Lower
Oligocene  sediments,  430 m  thick,  encountered  at  its  top
(Żytko  2004).  This  gently  sloping  fold,  with  dips  predomi-
nantly from 5 to 7°, was interpreted as a paraautochthonous
element documented by drilling (Fig. 10).

The northeastern part of the traverse IV – constructed on

the  basis  of  the  Ukrainian  geological  atlas  (Shakin  et  al.
1976) and corrected by new, unpublished materials of C. Zayats
and  P.  Loziniak  –  illustrates,  among  others,  developed
thickness of folded molasses of the Boryslav-Pokuttya Unit,
which overlie, with a sedimentary gap, deep-seated folds of
the unit.

Regional diversification of the tectonic style

Considerable differentiation of the feature of the subsurface

structures between southern and northern segments of particu-
lar traverses (Figs. 5, 7, 8, 10) justifies the usefulness of their
separate analyses. Internal segments of the traverses – lying
in  the  zone  of  compressional  sutures  in  the  tectogene  base-
ment  (Fig. 1)  with  diversified  hypsometry  of  its  individual
blocks and geometry and amplitudes of the deep-seated frac-
tures dislocating them – are characterized by more differenti-
ated types of structures in the cover. In their southern parts, at
least to the system of transversal deep-seated fractures C—D—E
(Fig. 1), sets of fault-propagation folds predominate; most fre-
quently they are represented by stacked slices with tectonical-
ly reduced northern limbs overlapping the internal margin of
the  southern  tectonic  suture  (Figs. 5,  7,  8).  The  system  of
backthrusts that appears in the southern part of the traverse IV
(Fig. 10) is probably related to subsurface wedging of the up-
lifted basement blocks within the “shallower” tectonic suture,
above which so-called triangle zones of the eastern sector of
the Fore-Dukla Zone were formed (Roure et al. 1993). The or-
igin of interpretive controversies concerning this sector is con-
nected not only with the youngest phase of the compressional
inversion  of  the  structures  (during  which  backward-vergent
thrusts were formed; see Fig. 10A), but also with mutual rela-
tions between synsedimentary tectonic deformations and sedi-
mentary  structures  on  the  northern  slope  of  the  Fore-Dukla
uplift (Kuśmierek 1981).

The northern parts of the internal segment of the traverse IV

are characterized by common occurrence of detachment folds
with  variable  vergence,  locally – backward  vergence  on
slopes of the thrust nappe covers, among others above broad
uplifts which can be interpreted as duplexes. Flat detachments
of the type of compressional inversion faults – identified in
seismic sections – are most often located in zones of structur-
al  depressions  of  the  flysch  cover,  which  are  superposed  on
deep-seated compressional sutures. Sporadically they also oc-
cur  in  northern  segments  of  the  traverses I  and  II  (up  to  the
subsurface  trace  of  the  fracture B;  see  Fig. 1)  as  associated
with disharmoniously folded structural elements (Figs. 5, 7).

The tectonic style of the external segments of the traverses,

dominated by the flexural slope of the subducted platform, is
characterized by a geometrically consequent system of thrusts
dipping  toward  the  southwest.  Their  amplitudes  increase  to
the SE and they are intensified in the Przemyśl Sigmoid zone

behind the trace of the fracture B where – at the external side
of the zone of the compressional sutures – faults with smaller
throws appear, which dislocate the slope of the platform base-
ment  (initial  sutures?  –  Fig. 1).  In  the  traverses I  and  II
(Figs. 5, 7), the gently sloping Skole Nappe cover is dislocat-
ed  by  flat-dipping  overthrusts  and  tectonic  slices,  and  some
synclinal structures are cut at the base by inversional detach-
ments. In the traverses III and IV (Figs. 8, 10), a system of im-
bricate  thrusts  is  developed,  which  separate  structural
elements of the “skyba” type and asymmetric geometry accen-
tuated by wedging out of the youngest lithostratigraphic mem-
bers of the Skole Series (preserved only in deeper synclines).
In the near-surface zone, they are characterized by steeper dips
and  smaller  amplitudes  of  displacements  that  sometimes  de-
cline  or  are  compensated  by  deformations  of  the  continuous
type. From this it can be inferred that the early stage of their
propagation could have preceded sedimentation of the young-
est  members  of  the  Skole  Nappe;  the  youngest  members
wedge  out  on  the  slope  of  the  platform  margin,  which  is
shown by their thickness reduction combined with the tenden-
cy  to  change  the  lithofacies  of  the  sediments  toward  succes-
sions of the platform type.

In the interpreted seismic sections, no deep-seated extension

of  the  Boryslav-Pokuttya  Unit  at  the  base  of  the  Silesian
Nappe  has  been  encountered.  The  prospects  for  discovering
oil fields (of the Boryslav type) under the Przemyśl Sigmoid
or in its southern margin had been linked with this conception
(e.g.  Wdowiarz  &  Jucha  1981  and  references  therein).  The
deepest well Kuźmina-1 (7541 m), drilled for this purpose, at
the base of the Stebnik Unit encountered a detached block of
flysch deposits (at the depth of 7062—7221 m) which were ad-
mitted  to  be  olistoliths  (Malata  &  Żytko  2006).  However,  in
the  author’s  opinion,  it  is  a  tectonically  detached  erosional
outlier of the flysch cover (Fig. 8), lying in a structural posi-
tion analogous to the previously described patches at the front
of the Skole overthrust.

The most distinct differentiation of the tectonic style of indi-

vidual structural-facies units along their strikes exists between
the  traverses III  and  IV.  It  reveals  tectonic  mobility  of  the
transversal fractures (marked by letters from C to I in Fig. 1)
which  dislocate  the  tectogene  basement  in  the  hinterland  of
the Przemyśl Sigmoid and separate the northern and northeast-
ern segments of the Carpathian arc.

Summary

Cartographic imaging of the subsurface structure of the Outer

Carpathians tectogene is an underestimated element for recog-
nition  of  the  tectogene  structure.  Such  imaging  is  crucial  for
profound  interpretation  of  the  complicated  tectonics  of  the
allochthonous  flysch  covers  and  their  basement,  and  for  re-
construction of scaled paleostructural models. Integrated inter-
pretation of the two-dimensional cartographic and geophysical
images,  combined  with  well  sections,  has  documented  a  new,
more complicated picture of the subsurface structure in the east-
ern part of the Polish Carpathians, dominated by thrusts of the
cover  and  deep-seated  faults  of  the  basement,  which  induced
fold systems of various geometries and origins.

background image

84

KUŚMIEREK

Acceptance  of  significant  differentiation  of  the  tectonic

style  between  surface  and  subsurface  structural  elements  of
nappe  covers  and  their  heterogeneous  basement  has  shaken
the sceptical attitude towards the credibility of the seismic im-
ages and results of the MT interpretation in the Carpathian do-
main. Application of the modified methodology of processing
of  seismic  data  and  their  geological  interpretation  has  speci-
fied subsurface traces of overthrusts and thrust faults, among
others  documenting  the  geometry  of  flat  inversional  detach-
ments  (that  were  previously  unrecognized).  Reinterpretation
of the MT results justifies relating the oblique and subvertical
resistivity boundaries with extreme contrasts to compressional
sutures  of  the  tectogene.  Overlying  gently-sloping  structural
elements  in  the  nappe  hinterland  have  been  interpreted  as
paraautochthonous  covers,  which  should  be  admitted  to  be  a
working hypothesis based upon geophysical premises and the
author’s interpretation of one of the deep well sections.

The interpretation of patches of the flysch cover at the base

of  the  Stebnik  Nappe  overthrust,  which  is  different  from  the
commonly accepted, implies the advisability of revision of the
previously published stereotyped paleogeographic models.

Acknowledgments:  Unpublished  images  of  the  subsurface
structure of the Carpathians were prepared within the frame-
work  of  the  Polish-Ukrainian  research  Project  (No.  DWM/
1818-1/2N  2005)  financed  by  the  Ministry  of  Science  and
Higher Education of the Republic of Poland. Their construc-
tion was possible owing to Polish Oil and Gas Company S.A.
and Polish Geological Institute, which made final documenta-
tions of wells and archival seismic sections available. Repro-
cessing of the seismic sections by a team managed by Tomasz
Maćkowski made it possible to carry out more profound geo-
logical interpretation conducted by the author, partly in coop-
eration with Urszula Baran. Their help is warmly appreciated.
The  author  wishes  to  thank  his  close  collaborators  for  their
help in preparing this paper for printing: Julian Krach for the
translation into English and Grzegorz Machowski for the elec-
tronic version of figures.

References

Bielik  M.  1999:  Geophysical  features  of  the  Slovak  Western  Car-

pathians: a review. Geological Quarterly 43, 3, 251—262.

Capik  M.,  Górecki  W.,  Kuśmierek  J.,  Maćkowski  T.,  Karpach  O.,

Karpenko A., Omelchenko V. & Machula Z. 2006: Polish-Ukrai-
nian cooperation in prospecting for petroleum in the transfrontier
zone  of  the  Carpathians:  purposes  and  perspectives.  Technika
Poszukiwań  Geologicznych,  Geotermia,  Zrównoważony  Rozwój
2, 
103—108 (in Polish).

Danysh V.V. 1973: Geology of the western part of the northern mar-

gin of the Ukrainian Carpathians. Naukova Dumka, Kiev, 1—117
(in Ukrainian).

Dérerová J., Zeyen H., Bielik M. & Salman K. 2006: Application of

integrated geophysical modeling for determination of the conti-
nental lithospheric thermal structure in the eastern Carpathians.
Tectonics 25, 3, Art. No. TC3009.

Doktór S., Graniczny M., Kucharski R., Mołek M. & Dąbrowska B.

1990: Subsurface geological structure of the Carpathians in the
light  of  complex  remote-sensing  and  geophysical  analyses.
Przegl. Geol
. 11, 469—475 (in Polish).

Gluško W.W. 1968: Tectonics and oil/gas productivity of the Car-

pathians and adjacent depressions. Nedra, Moscow, 1—263 (in
Russian).

Jankowski L., Kopciowski R. & Ryłko W. 2004: Geological Map of

the Outer Carpathians: Borderlands of Poland, Ukraine and Slo-
vakia (1 : 200,000). Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa
(in Polish).

Jucha S. & Kotlarczyk J. 1958: Trial of new stratigraphics division of

Menilite Series and Krosno Beds. Nafta 8, 205—207 (in Polish).

Konečný V., Kováč M., Lexa J. & Šefara J. 2002: Carpatho-Pannon-

ian region: an interplay of subduction and back-arc diapiric up-
rise  in  the  mantle.  EGS  Stephan  Mueller,  Spec.  Publ.  Ser.  1,
165—195.

Książkiewicz M. 1972: Geology of Poland. Vol. IV. Tectonics. Part 3:

Carpathians. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, 1—228 (in
Polish).

Kuśmierek  J.  1979:  Gravitational  deformations  and  backward  over-

thrusts  with  reference  to  deep  structures  and  petroleum  pros-
pects of the Dukla Unit foreland in the Bieszczady Mountains.
Prace Geol., PAN 114, 1—68 (in Polish).

Kuśmierek  J.  1981:  Paleostructural  analysis  of  the  Otryt  Series

(southeast  part  of  the  Central-Carpathian  Depression).  Zesz.
Nauk. AGH, Geol. 
7, 3, 97—116 (in Polish).

Kuśmierek  J.  1984:  Justification  of  oil-  and  gas-productivity  pros-

pects  of  the  flysch  formation  in  the  eastern  part  of  the  Polish
Carpathians  and  proposals  of  resource  documentation.  Zagad-
nienia  Surowców  Energetycznych  w  Gospodarce  Krajowej.
Materiały Konferencji Komitetu Gospodarki Surowcami Miner-
alnymi
, PAN. Wydawnictwo AGH, Kraków,

 

27—49 (in Polish).

Kuśmierek  J.  1990:  Outline  of  geodynamics  of  Central  Carpathian

Oil Basin. Prace Geol., PAN 135, 1—85 (in Polish).

Kuśmierek J. 1996: Evolution of the Central Carpathian Oil Basin –

quantitative interpretation. In: Roure F., Ellouz N., Shein V.S. &
Skvortsov  I.  (Eds.):  Geodynamic  evolution  of  sedimentary  ba-
sins. International Symposium, Moscow, 281—303.

Kuśmierek  J.  &  Baran  U.  2008:  Subsurface  structure  of  the  Car-

pathians in the zone of the Przemyśl Sigmoid: interpretation of
seismic  sections  and  assessment  of  hydrocarbon  prospects.
Kwartalnik AGH, Geologia 34, 3, 365—384 (in Polish).

Kuśmierek J. & Ney R. 1988: Problems of tectonics of the basement

and development of structures of the cover in the eastern part of
the Polish Carpathians. Przegl. Geol. 6, 318—325 (in Polish).

Kuśmierek J., Halat Z., Maćkowski T. & Papiernik B. 1995: Evolution

and  hydrocarbon  potential  of  the  Polish  Carpathians.  Integrated
modelling interpretation in petroleum system of eastern part of al-
lochthonous units. Prace Geol., PAN 138, 1—92 (in Polish).

Kuśmierek  J.,  Maćkowski  T.  &  Łapinkiewicz  A.P.  2001:  Efects  of

synsedimentary  thrusts  and  folds  on  the  results  of  two-dimen-
sional  hydrocarbon  generation  modeling  of  the  eastern  Polish
Carpathians. Przegl. Geol. 49, 5, 412—417 (in Polish).

Letouzey  J.  1990:  Fault  reactivation,  inversion  and  fold-thrust  belt.

In:  Letouzey  J.  (Ed.):  Petroleum  and  tectonics  in  mobile  belts.
Editions Technip, Paris, 101—128.

Lizoon  S.O.  &  Zayats  C.  1997:  New  data  on  deep  structure  of  the

Ukrainian  Carpathians:  geological  reinterpretation  of  regional
seismic profiles. Przegl. Geol. 45, 11, 1144—1146 (in Polish).

Malata T. 1997: Tectonic style of the Węglówka zone of the Polish

Eastern Carpathians and its relationship to the Carpathian base-
ment. Biul. Państw. Inst. Geol. 376, 43—59 (in Polish).

Malata T. & Żytko K. 2006: Kuźmina 1. Profiles of deep wells of

the Polish Geological Institute 110, PIG, Warszawa, 1—65 (in
Polish).

Marecik T., Pieniądz K. & Smolarski L. 2008: Metholodogy of seis-

mic data processing in the Przemyśl Sigmoid – selected proce-
dures. Kwartalnik AGH, Geologia 34, 3, 527—540 (in Polish).

Mitra S. 1986: Duplex structures and imbricate thrust systems: geom-

background image

85

2D INTERPRETATION OF SUBSURFACE STRUCTURE AND TECTONIC STYLE OF OUTER CARPATHIANS (POLAND)

etry, structural position and hydrocarbon potential. AAPG Bull.
70, 1087—1112.

Nemčok M., Krzywiec P., Wojtaszek M., Ludhová L., Klecker R.A.,

Sercombe W.J. & Coward M.P. 2006: Tertiary development of
the Polish and eastern Slovak parts of the Carpathian accretion-
ary  wedge:  insights  from  balanced  cross-sections.  Geol.  Car-
pathica
 57, 5, 355—370.

Oszczypko N., Ślączka A. & Żytko K. 2008: Tectonic subdivision of

Poland:  Polish  Outer  Carpathians  and  their  foredeep.  Przegl.
Geol
. 56, 10, 927—935 (in Polish).

Poprava D. & Nemčok J. 1989: Geological atlas of the Western Outer

Carpathians  and  their  Foreland.  PIG,  Warszawa,  GÚDŠ,  Bra-
tislava, ÚÚG, Praha.

Roure F., Roca E. & Sassi W. 1993: The Neogene evolution of the

outer  Carpathian  flysch  units  (Poland,  Ukraine  and  Romania):
kinematics of a foreland/fold-and-thrust belt system. Sed. Geol.
86, 177—201.

Ryłko  W.  &  Tomaś  A.  2005:  Basement  structure  below  the  West

Carpathian—East  Carpathian  orogen  junction  (eastern  Poland,
north-eastern Slovakia and western Ukraine). Geol. Carpathica
56, 1, 29—40.

Shakin V., Burov V.S., Vialov O.S., Glushko V.V., Kruglov S.S.,

Pietrashkiewich M.I. & Temniuk F.P. 1976: Geologic map of
the  Ukrainian  Carpathians  and  adjacent  depressions.  Scale
1 : 200,000. Ministry of Geology USSR, Kiev (in Russian).

Stefaniuk M. 2001: Main structural elements of the basement of east-

ern Polish Carpathians in the light of magnetotelluric investiga-
tions. Kwartalnik AGH, Geologia 27, 1, 127—159 (in Polish).

Stefaniuk  M.  2003:  Regional  magnetotelluric  investigations  in  the

Polish Eastern Carpathians. Kwartalnik AGH, Geologia 29, 3—4,
131—168 (in Polish).

Stefaniuk M. 2006: Some results of a new magnetotelluric survey in

the area of Polish Outer Carpathians. In: Golonka J. & Picha F.J.
(Eds.): The Carpathians and their foreland: Geology and hydro-
carbon resources. AAPG Mem. 84, 503—512.

Ślączka  A.  1959:  Stratigraphy  of  the  Bystre  scale  (Middle  Car-

pathians). Biul. Inst. Geol. 131, 203—251 (in Polish).

Świdziński  H.  1971:  The  extent  of  horizontal  displacements  in  the

Northern  Flysch  Carpathians.  Rocz.  Pol.  Tow.  Geol.  XLI,  1,
181—211 (in Polish).

Wdowiarz  S.  1985:  Some  problems  of  the  geological  structure  and

oil/gas  productivity  of  the  Central  Carpathian  Synclinorium  in
Poland. Biul. Inst. Geol. 350, 5—45 (in Polish).

Wdowiarz  S.  &  Jucha  S.  1981:  North-western  extension  of  the

Borislav-Pokutse  zone  of  deep-seated  folds  in  the  Polish  Car-
pathians. Biul. Inst. Geol. 335, 7—22.

Zeyen H., Dérerová J. & Bielik M. 2002: Determination of the conti-

nental lithospheric thermal structure in the Western Carpathians:
integrated modelling of surface heat flow, gravity anomalies and
topography. Phys. Earth Planet. Inter. 134, 1—2, 89—104.

Żytko K. 2004: Jasień IG-1. Profiles of deep wells of the Polish Geo-

logical Institute 103, PIG, Warszawa, 1—67 (in Polish).