background image

GEOLOGICA CARPATHICA

, OCTOBER 2017, 68, 5, 479–500

doi: 10.1515/geoca-2017-0031

www.geologicacarpathica.com

Tectono-sedimentary analysis using the anisotropy of 

magnetic susceptibility: a study of the terrestrial and 

freshwater Neogene of the Orava Basin

MACIEJ ŁOZIŃSKI 

, PIOTR ZIÓŁKOWSKI and ANNA WYSOCKA

University of Warsaw, Faculty of Geology, Żwirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa, Poland; 

maciej.lozinski@student.uw.edu.pl

(Manuscript received February 2, 2017; accepted in revised form June 9, 2017)

Abstract:  The  Orava  Basin  is  an  intramontane  depression  filled  with  presumably  fine-grained  sediments  deposited   

in river, floodplain, swamp and lake settings. The basin infilling constitutes a crucial record of the neoalpine evolution  

of  the  Inner/Outer  Carpathian  boundary  area  since  the  Neogene,  when  the  Jurassic–Paleogene  basement  became   

consolidated,  uplifted  and  eroded.  The  combination  of  sedimentological  and  structural  studies  with  anisotropy  of   

magnetic susceptibility (AMS) measurements provided an effective tool for recognition of terrestrial environments and 

deformations of the basin infilling. The lithofacies-oriented sampling and statistical approach to the large dataset of AMS 

specimens were utilized to define 12 AMS facies based on anisotropy degree (P) and shape (T). The AMS facies allowed 

a distinction of sedimentary facies ambiguous for classical methods, especially floodplain and lacustrine sediments, as 

well as revealing their various vulnerabilities to tectonic modification of AMS. A spatial analysis of facies showed that 

tuffites along with lacustrine and swamp deposits were generally restricted to marginal and southern parts of the basin. 

Significant deformations were noticed at basin margins and within two intrabasinal tectonic zones, which indicated the 

tectonic activity of the Pieniny Klippen Belt after the Middle Miocene. The large southern area of the basin recorded 

consistent N-NE trending compression during basin inversion. This regional tectonic rearrangement resulted in a partial 

removal of the southernmost basin deposits and shaped the basin’s present-day extent.

Keywords:  Orava–Nowy  Targ  Basin,  Neogene,  intramontane  basins,  basin  inversion,  facies  analysis,  anisotropy  of   

magnetic susceptibility.

Introduction

The  anisotropy  of  magnetic  susceptibility  method  has  been 

 approved for decades as an effective tool in a broad spectrum 

of geological applications (e.g., Graham 1954; Hrouda 1982; 

Tarling & Hrouda 1993; Parés 2015). Any rock composed of 

mineral  grains  is  characterized  by  a  magnetic  susceptibility 

reflecting  the  minerals’  contribution  to  an  applied  external 

magnetic field. This physical feature usually differs with res-

pect to the direction of the field, which is referred to as the 

anisotropy  of  magnetic  susceptibility  (AMS).  For  paramag-

netic  and  diamagnetic  grains  (such  as  clay  minerals,  quartz 

and carbonates) the AMS is a result of their specific magne-

tocrystalline anisotropy, whereas ferromagnetic grains (typi-

cally  iron  oxides  and  sulphides)  may  additionally  have  the 

easy direction of magnetization related to the shape and size of 

grains  (Rees  1965),  as  well  as  to  intergranular  interactions. 

The AMS measurement reflects the total effect of all grains in 

a  specimen  and  is  predominantly  studied  in  a  phenomeno-

logical and descriptive way. The result depicts a sediment or 

rock  preferred  grain  alignment  and  is  usually  interpreted  in 

terms of bedding orientation and flow directions, as well as 

structural lineation and foliation being a result of deformation 

(see discussion in Hrouda 1982).

The  application  of  the  AMS  method  in  orogeny-related 

basins  and  accretionary  prisms  predominantly  concerns 

a structural interpretation of strain directions (e.g., Hrouda & 

Potfaj 1993; Parés et al. 1999; Kanamatsu & Herrero-Bervera 

2006; Hrouda et al. 2009; Mazzoli et al. 2012) and turbidity 

current  directions  (e.g.,  Tamaki  et  al.  2015),  while  hemi- 

pelagic and pelagic sediments are examined for the occurrence 

and directions of bottom currents (e.g., Ellwood & Ledbetter 

1977; Shor et al. 1984; Joseph et al. 1998; Park et al. 2000; 

Baas et al. 2007; Parés et al. 2007). The sedimentological ana-

lysis supported by AMS measurements has also been done in 

a variety of sedimentary settings, namely: deep sea fans and 

turbidity  deposits  (von  Rad  1970),  deep-sea  mass  transport 

deposits (Novak et al. 2014), alluvial fine-grained sediments 

(Garcés  et  al.  1996;  Park  et  al.  2013),  pyroclastic  density 

 currents and lahar deposits (Biró et al. 2015; Ort et al. 2015), 

as well as glacial sediments (Eyles et al. 1987; Gravenor & 

Wong  1987).  In  this  study  we  aim  to  analyse  fine-grained 

freshwater and terrestrial deposits of the Orava Basin (Łoziński 

et al. 2015) focusing on both sedimentary and structural aspects 

of the AMS results.

The  Orava  Basin  is  a  Neogene  intramontane  basin  in  the 

Western  Carpathians.  The  time  of  the  basin’s  development 

corresponds  to  the  termination  of  formation  of  the  Outer 

background image

480

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

Jabłonka

Czarny Dunajec

Chochołów

Trstená

Bobrov

Námestovo

Nové Ústie

Stare Bystre

Lipnica Wielka

Lipnica
Mała

Czarny

Dunajec

Chyżny

Oravica

Orava

Cichy

Bystry

Chyżnik

Lipnic

a

Červený

Syhlec

Czarna

Orawa

Polhoranka

Kovalinec

Krz1

Koz1

Na1

Bo1

Us1

Us2 Us3

Ko1, Ko2

Uh1

UhQ2

By1

By2

By3

Wo1

DW1

CD1

CD2_1,2

CD3_1,2,3

CD4

CD5

Tv1

Je1
Je2i3
Je4

Je9

Je10

LM1

LM2

Ce1

JeQ1

JeQ2

Je6

Je7

Je8

Ce3÷Ce11

JeQ3

JeQ4

JeQ5

Ch2

Ch4

Ch3

Jo1

Jo2

Jo4, Jo5

Jo6

Jo3

Ch1

Chk1

Ku1

Co1

Li1

Li2

Bv1

Bv3

Bv2

Oravica River

section  Or*

0

2

4 km

49.50°

49.45°

49.40°

49.35°

49.50°

49.45°

49.40°

49.35°

19.60°

19.70°

19.80°

19.90°

19.50°

19.60°

19.70°

19.80°

19.90°

O

rav

a L

ake

PIE

NIN

Y K

LIPP

EN B

ELT

PODHALE SY

NCLINORIU

M

CENTRAL CA

RPATHIAN P

ALEOGENE

ORAVA

BASIN

MAGURA NAPPE

(PKB)

PKB

POLAND

CZECH

REP.

SLOVAKIA

HUNGARY

study area

Carpathians thrust-and-fold belt, and submission of the oro-

geny to exposure and erosion (e.g., Jankowski & Margielewski 

2014). The Orava Basin comprises the excellent sedimentary 

record  of  the  structural  and  environmental  evolution  of  the 

studied  region  of  that  time.  This  involves  the  transition  

from marine to terrestrial sedimentation (Birkenmajer 1954; 

Cieszkowski 1995), development of regional strike-slip move-

ments in the Carpathians (Kováč et al. 1993) and the uplift and 

erosion  of  individual  blocks  of  predominantly  Paleogene 

rocks  in  the  vicinity  of  the  basin  (Tokarski  et  al.  2012; 

Jankowski  &  Margielewski  2014).  However,  fine-grained 

deposits often are macroscopically structureless and since they 

lack  correlation  indicators,  they  are  not  easy  to  interpret.  

We expect that the application of the AMS method may signi-

ficantly contribute to knowledge of the basin’s history. 

This  study  is  based  on  the  very  detailed  facies  study  of 

lacustrine, flood plain, alluvial, and swamp settings presented 

in  Łoziński  et  al.  (2015).  The  local  facies  model  for  the 

well-exposed section of the Oravica River has been verified 

and adapted in this paper to describe facies within the whole 

basin. The problem of the interplay of tectonic and sedimen-

tary factors in determining the AMS fabrics for the moderately 

deformed Oravica River section has already been discussed in 

a case-study paper of Łoziński et al. (2016). The considerable 

variety  of  the  obtained  AMS  fabrics  suggested  a  possible 

recog nition  of  the  AMS  facies  reflecting  the  depositional 

 processes. The aim of this paper is to construct a model for 

fine-clastic deposits of the Orava Basin, which hopefully will 

be for universal use as well. This study is based on a large data 

set of field-collected spatially oriented AMS specimens (1930 

specimens  from  85  locations,  see Appendix)  collected  with 

respect  to  the  recognized  lithofacies.  The  AMS  results  are 

interpreted to reconstruct the facial scheme of the basin and to 

depict  its  deformational  style  and  possible  tectonic  strain 

directions.

Geological setting

The Orava Basin is currently an approximately 35 km long 

and 15 km wide intramontane depression straddling the Inner/

Outer  Carpathian  border  (Fig.  1).  It  is  filled  with  predomi-

nantly  terrestrial  clastic  sediments  which  overlie  preconso-

lidated,  folded  and  partially  eroded  older  units:  mostly  the 

Magura  Nappe,  Pieniny  Klippen  Belt,  and  Podhale  Syncli-

norium. The northernmost unit, Magura Nappe, is built up of 

Albian/Cenomanian–Miocene  sandstones,  mudstones,  and 

marls  (Birkenmajer  &  Oszczypko  1989;  Cieszkowski  et  al. 

1989;  Cieszkowski  1995;  Malata  et  al.  1996).  The  Pieniny 

Klippen  Belt  comprises  strongly  deformed  Early  Jurassic–

Paleogene  limestones,  marls,  mudstones,  calcarenites,  and 

conglomerates  (e.g.,  Birkenmajer  1960).  The  southernmost 

part  of  the  Orava  Basin  in  underlain  by  the  Podhale 

Synclinorium, a folded Lutetian/Bartonian to Egerian part of 

the Central Carpathian Paleogene Basin (Gross et al. 1993b; 

Olszewska & Wieczorek 1998; Soták 1998a, b; Garecka 2005). 

After  these  units  underwent  folding  and  erosion,  the  W–E-

trending elongated depression was formed. The onset time of 

the deposition in the Orava Basin is poorly constrained, ran-

ging from Late Oligocene (Woźny 1976), through Badenian 

Fig. 1.  The simplified geological map of the Orava Basin and its vicinity. The AMS sampling locations are marked with dots and sample 

names. For detailed locations of the Oravica River section samples see Łoziński et al. (2016).

background image

481

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

(Oszast  &  Stuchlik  1977),  Late  Badenian  or  Sarmatian 

(Cieszkowski  1995),  to  Sarmatian  (Nagy  et  al.  1996). 

However, most authors agree about the Middle Miocene age 

of the basin’s origin which is based on the widely-studied flora 

associations, and corresponds well with the opening time of 

the transtensional basins inside the Carpathian orogenic belt 

(Kováč et al. 1993). The dominant siliciclastic basin infill has 

been probably derived from older eroded units exposed in the 

vicinity  of  the  basin  (Birkenmajer  1954;  Watycha  1976a; 

Tokarski et al. 2012). The deposition of conglomerates, sand-

stones, clayey siltstones, claystones, and coals took place in 

terrestrial and freshwater environments: alluvial fans, rivers, 

flood plains, lakes and swamps (Watycha 1976a; Birkenmajer 

1978; Kukulak 1998; Łoziński et al. 2015). The sedimentary 

bodies of deposits are laterally and vertically restricted, and 

strongly depend on their paleotopographic position. According 

to  Birkenmajer  (1954)  and  Watycha  (1976a),  alluvial  fans 

with  coarse  clastics  have  been  developed  within  the  basin 

 margins. Grain size decreased towards the centre of the basin, 

where  river-associated  and  stagnant-water  deposition  took 

place  within  extensive  floodplains  and  swampy  areas.  

The abundant plant vegetation within the wet areas favoured 

preservation of organic matter and initiated brown coal forma-

tion (e.g., Polášek 1959; Oszast & Stuchlik 1977; Kołcon & 

Wagner  1991).  Lacustrine  deposits  represent  episodic  lakes 

and  no  basin-scale  reservoir  has  been  recorded  during  the 

basin’s  evolution  (Watycha  1976a;  Łoziński  et  al.  2015).  

The sedimentary environment could have been disrupted by 

volcanic  ashfall  events  resulting  in  tuffite  deposition  (Beleš 

1974;  Sikora  &  Wieser  1974;  Kołcon  &  Wagner  1991; 

Łoziński et al. 2015). The topmost deposits of the Quaternary 

age (Watycha 1976a; Baumgart-Kotarba et al. 1996) lie often 

discordantly  above  older  deposits. Apart  from  fine  clastics, 

they also represent large alluvial fans with pebbles and cob-

bles  derived  from  adjacent  areas  and  the  Tatra  Mts.  This 

records a major Quaternary uplift of adjacent source areas and 

marginal parts of the basin, which could have had a wider extent 

in the Neogene (Tokarski et al. 2012; Łoziński et al. 2015).  

The depression could have been formed as a pull-apart basin 

(e.g.,  Pospíšil  1990;  Baumgart-Kotarba  2001),  a  releasing- 

bend structure along the Pieniny Klippen Belt (Pomianowski 

2003), or as a series of tectonic subbasins within the flexure of 

the Outer Carpathian arc (Struska 2008).

Methods

This study is based on field sedimentological and tectonic 

observations, magnetic measurements on a set of specimens 

collected  from  outcrops,  and  pre-existing  geological  data: 

detailed  geological  maps  (Watycha  1976b,  1977a, b, c;  

Gross et al. 1993a) and documentation of boreholes Czarny 

Dunajec-IG1 (Watycha 1971) and OH-1 (Pulec 1976). Field 

observations  included:  all  macroscopic  sedimentary  and 

diagenetic structures, grain size, colour, level of consolidation, 

presence of tectonic fractures, faults and ductile deformation, 

bedding orientation, as well as position in present-day sedi-

mentary  environment  with  special  attention  to  mass  move-

ments.  The  age  of  the  studied  deposits  considered  to  be 

Neogene  in  this  paper  could  not  be  exactly  determined. 

Instead,  the  sedimentological  criterion  has  been  used:  all 

fine-clastic  sediments  which  could  not  be  deposited  in  

a present-day sedimentary environment have been taken into 

account.

The  sampling  process  for  magnetic  measurements  was 

intended to give a 25-specimen representation of a sediment 

mass  of  a  specific  lithofacies  found  in  a  studied  location,  

what is referred to here as a “lithofacies-oriented sampling”. 

The conventional method of sampling a sedimentary vertical 

sequence has been generally neglected here, since a sedimen-

tary  environment  in  terrestrial  settings  may  change  within 

small distances laterally and vertically. The sampling was con-

ducted  using  brass  samplers  hit  with  a  rubber  hammer  into 

a fresh surface of deposits (see the equipment in Łoziński et al. 

2016). A cylinder obtained from a sampler has been cut into 

standard ø 25.4 mm-wide and 22 mm-tall magnetic specimens. 

All  specimens  have  been  collected  with  measured  azimuth, 

dipping angle and (in most cases) the axial rotation angle of 

the  sampler.  It  should  be  noted  that  weakly  consolidated 

deposits  could  have  been  altered  by  the  hitting  force  and 

acquired a false tectonic fabric. This has been examined by 

applying different sampling azimuths, and then testing the cor-

relation  between  sampling  direction  and  the AMS  ellipsoid 

directions.  The  total  specimen  dataset  includes  1930  speci-

mens (322 specimens have been reused from Łoziński et al. 

2015; names with prefix Or-) grouped into 85 statistical sam-

ples representing various lithofacies and localities (Fig. 1).

The  specimens  collected  have  been  measured  for  volume 

bulk magnetic susceptibility and its anisotropy at field inten-

sity  200  A/m  and  frequency  976  Hz  using  a  MFK1-FA  

kappa bridge  with  a  3D  rotator  (AGICO,  Czech  Republic).  

The  AMS  obtained  during  measurements  is  defined  as  

a  second-rank  tensor  with  symmetrical  3×3  matrix  repre-

sentation. The ana lysis of AMS is performed using convenient 

anisotropy parameters: main axes of anisotropy ellipsoid k1, 

k2,  and  k3  (axis  of  maximum,  intermediate,  and  minimum 

susceptibility accordingly), anisotropy degree P = k1/k3, linea-

tion  L = k1/k2,  foliation  F = k2/k3,  and  anisotropy  shape 

T = [2 log(k2)−log(k1)−log(k3)] / [log(k1)−log(k3)]  

(Hrouda 1982 and references therein). Multispecimen statis-

tical  processing  has  been  done  according  to  mean  tensor 

 calculation defined in Jelínek & Kropáček (1978).

The  magnetic  mineralogy  was  assessed  by  two  methods:  

the Lowrie test and thermoanalysis, in which the distinctive, 

characteristic  coercivities  and  thermomagnetic  properties  of 

the common ferromagnetic minerals have been used. The ana-

lysis  of  the  acquisition  curve  of  isothermal  remanent  mag-

netization  (IRM)  combined  with  subsequent  thermal 

demag netization  of  the  IRM  provided  the  interpretation  of  

the ferromagnetic mineral content of a rock (Lowrie 1990).  

The 20 specimens were given an isothermal remanence (IRM), 

in  steps  from  0.014 T  up  to  3 T  along  Z-axis,  using 

background image

482

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

magneti     zation  in  a  pulse  magnetizer  MMPM10  (Magnetic 

Measurements, Great Britain). After each step the IRM was 

measured  using  a  spinner  magnetometer  JR6A  (Agico). 

Afterwards, different coercivity fractions of IRM were remag-

netized  in  successively  smaller  fields  along  two  orthogonal 

directions: 0.4 T along the Y-axis and 0.12 T along the X-axis. 

After thermal demagnetization of 8 representative specimens 

in  a  MMTD80A  furnace  (Magnetic  Measurements),  each 

ortho gonal  component  of  the  composite  IRM  was  plotted 

 separately.  These  results  were  supplemented  by  thermoana-

lysis by measuring bulk susceptibility of 3 specimens during 

heating  up  to  700 °C  and  cooling  down  in  a  KLY3S/CS3 

 kappabridge  (Agico). All  magnetic  procedures  were  carried 

out at the European Centre for Geological Education (Chęciny, 

Poland), except for the thermoanalysis which was carried out 

at  the  Institute  of  Geophysics,  Polish Academy  of  Sciences 

(Warsaw,  Poland).  The  data  was  acquired  using  SAFYR6, 

REMA6 and SUSTE7 programs (Agico) and processed with 

an R statistical software (R Core Team 2015).

Results

Facies model

The sedimentological analysis of this study is based on the 

classical  concept  of  lithofacies  and  facies  associations  (see 

summary  in  Miall  2000).  This  practical  approach  aims  at 

defining  sedimentary  units  based  on  macroscopic  sediment 

description and interpreting them in terms of physical condi-

tions, e.g.: mechanism of sediment transport, current velocity, 

settling process, and biogenic activity. The analysis of litho-

facies associations in vertical and lateral extent is a basis for 

interpretation of sedimentary environments. This kind of ana-

lysis has already been applied to the 90-m thick diversified 

section of the Oravica River in the southern part of the Orava 

Basin in Łoziński et al. (2015). For the purpose of this study 

a new lithofacies scheme has been constructed for the whole 

Orava Basin (Table 1).

The matrix-supported breccia (Gmm) is composed of angu-

lar  clasts  of  older  units  spread  in  a  predominantly  muddy 

matrix and lacking any sedimentary structures (Fig. 2). It has 

been  interpreted  as  a  plastic  debris-flow  deposit  which  was 

confined  to  areas  of  considerable  terrain  relief,  probably 

 during pre-basinal basement erosion and later, at basin mar-

gins. In turn, the clast-supported conglomerate (Gcm, Fig. 3A) 

represents deposits of low sediment concentration flow within 

alluvial fans having a large lateral extent. Lithofacies Gh, Sh 

Sp,  and  St  depict  bedforms  deposited  in  a  water  current  of 

different  strength  and  flow  regimes  usually  within  a  fluvial 

channel.  Lithofacies  Sm  occurs  typically  as  a  structureless 

intercalation within clayey and silty lithofacies CL, Fl, and Fm 

(Fig. 2).

The  massive  clayey  siltstone  (lithofacies  Fm,  Fmc,  and 

Fmm)  may  reach  thickness  of  several  metres,  and  typically 

lacks any sedimentary structures. Similar massive lithofacies 

with rhizoliths may be found within present-day river banks 

(Fig.  3B),  usually  overlying  alluvial  conglomerates  (litho-

facies  Gh).  Fresh  non-consolidated  muds  are  well-oxidized 

and  often  rich  in  organic  matter,  which  makes  them conve-

nient for biogenic activity. Faunal bioturbation is followed by 

a quickly developing plant vegetation resulting in root biotur-

bation.  Additionally,  deposited  muds  being  within  a  vadic 

zone,  undergo  multiple  changes  in  relative  humidity.  This 

process has been recognized to degrade original sedimentary 

structure  into  massive  structure  due  to  particle  movements 

during  shrinkage  and  swelling  (Wetzel  &  Einsele  1991).  

The  observable  stage  of  biogenic  activity  is  exhibited  by 

a  sublithofacies  Fmm  (Fig.  3C)  being  in  most  cases  a  rela-

tively young deposit of the Orava Basin. This subdivision of 

lithofacies Fm is defined by its weak consolidation, significant 

porosity, and abundant root moulds and tubules (Klappa 1980) 

emphasized by red oxidation zones. However, these features 

may also be achieved by weathering and reworking of older 

exhumed  deposits.  The  lithofacies  Fm  (Fig.  3D)  represents 

compacted overbank deposit which gained its massive struc-

ture shortly after sedimentation. It lost its biogenic porosity 

and  gained  a  typical  monotonous  bluish-grey  colour  in 

oxygen- deficient  conditions  after  burial.  This  lithofacies  in 

an outcrop often exhibits muddy clasts (Fig. 3D) which are 

known to be formed on weathered surfaces during repetitive 

drying-wetting cycles (Wetzel & Einsele 1991). Rare rhizo-

liths are present in forms of carbonate rhizocretion horizons, 

as  well  as  root  tubules  and  petrified  root  tissues  preserved 

within siderite concretions (Bojanowski et al. 2016). The pre-

sence of siderite concentrations and siderite cemented hori-

zons defines a sublithofacies Fmc (Fig. 3E) and is interpreted 

as  a  result  of  anoxic  diagenetic  condition  and  bacterial 

 methanogenesis under a swamp. 

The heterolithic sandstone-dominated lithofacies Hs com-

prises  an  association  of  sandstone,  siltstone  and  claystone 

 layers.  Grain  size  usually  exhibits  gradual  change.  In  some 

cases the cyclicity is poorly defined, but the regular Bouma 

cycles  (Tb–Te)  may  be  present  as  well. The  latter  structure 

predestines this lithofacies to be interpreted as a low-density 

turbidity current deposit. However, in general this lithofacies 

may occur in various settings where current flow is ephemeral. 

Heterolithic  siltstone-dominated  deposits  (lithofacies  Hf,  

Fig. 3F) show very subtle laminations and rare ripple cross- 

beddings.  The  erosive  capability  of  the  environment  must 

have been very restricted, and the flow deposition alternated 

with a long time of stagnant water settling. Hence, the distal 

low-density turbidity current seems the most adequate inter-

pretation. Lithofacies Fl and CL represent mostly deposition 

from suspension. Laminated siltstones (lithofacies Fl, Figs. 2, 

3G) usually reveal well parting along bedding planes. This is 

in contrast to typically massive claystones (CL) where bed-

ding  is  distinct  only  due  to  the  admixture  of  plant  detritus.  

The organic matter content varies ranging gradually from grey 

pure claystones (CL), through black coaly claystones (CCL) 

to pure coals (C) (Fig. 3H). The rare freshwater limestone beds 

(lithofacies L) usually accompany coal seams. The volcanic 

background image

483

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

Fl

(OrFl)

Sm

Gmm

(OrGmm)

30 cm

Facial 

code

Lithofacies

Description and interpretation

Interpretation

L

freshwater limestone

beds up to 30 cm thick; calcitic rock; well-preserved mollusc shells; white, yellow; [4]

authigenic calcite precipitation

T

tuffite

beds from a few millimetres to 2 m thick; pyroclastic silty and clayey deposit with 

admixture of terrigenous fine clastic sediments; massive or laminated, rarely cross- 

bedded; white, yellow; green when wet; [1] [2] [4]

ashfall deposition, may be altered by 

current

C

coal

beds typically up to 40 cm thick; lignites from unlithified plant detritus to shiny and 

brittle rock; brown to black; [2] [4]

phytogenic accumulation

CCL

coaly claystone

beds typically up to 20 cm thick; claystone abundant in organic matter; brown to  

black; [4]

phytogenic accumulation with influx 

of siliciclastic material

CL

claystone

beds up to 50 cm; massive structure to weak lamination; subordinately plant detritus 

admixture; dark grey, grey or grey-blue; [4]

suspension fallout deposition

Fl

laminated or massive 

clayey siltstone

varied thicknesses; subtle laminations or massive structure with weak tendency to break 

along bedding surfaces; grey to dark grey; [4]

suspension fallout, may be 

current-driven

Hf

siltstone-dominated 

heterolithic deposits

varied thicknesses; normally graded siltstones and claystones; laminated with subordinate 

ripple cross-bedding; grey to dark grey; [4]

low-density turbidity currents or 

ephemeral ripple bed transport

Hs

sandstone-dominated 

heterolithic deposits

varied thicknesses; normally graded sandstones, siltstones and rare claystones; laminated 

or ripple cross-bedded; occasionally Tb-e Bouma sequences; grey, dark grey or grey-

blue; [4]

low-density turbidity currents or 

ephemeral ripple- and plane- bed 

transport

Fm

massive clayey siltstone varied thicknesses (up to several meters); siltstone and clayey siltstone; predominantly 

massive structure, very rare indistinct laminations; locally calcitic concretions; rare 

muddy clasts (up to 15 cm) appearing at weathered surface; grey-blue or red; [4]

mud-suspension fallout, may be 

 current-driven; original structure 

overprinted by bioturbation and/or 

synsedimentary weathering

Fmc

massive clayey siltstone 

with siderite concretions

lithofacies Fm with siderite concentrations, concretions and horizons; grey-blue or red; 

[4] [5]

lithofacies Fm influenced by geo-

chemical processes related to soil or 

swamp development

Fmm

massive clayey siltstone 

and sandstone (mottled)

lithofacies Fm; often sandy; locally single pebbles; weakly consolidated; grey with 

orange to red spots around pores of biogenic origin (rhizoliths, Fig. 3B and C)

lithofacies Fm at an initial stage of 

diagenesis, altered by young biogenic 

activity

Sm

massive sandstone

varied thicknesses; usually clayey and silty; fine- and medium- grained; grey or 

grey-blue;

grain flow, rapid deposition

Sh

horizontally laminated 

sandstone

fine- and medium- grained; often abundant plant detritus; rarely muddy intraclasts; grey, 

red to brown; [4]

plane-bed flow

Sp, St

planar and trough 

cross-bedded sandstone

beds up to 1 m; usually clayey and silty; fine- to coarse- grained; common plant detritus; 

rare muddy intraclasts; grey, red to brown; [4]

2D and 3D bedforms (dunes)

Gh

horizontally bedded and 

imbricated 

conglomerates

up to 50 cm thick beds and lenses; indistinct horizontal bedding and imbrication, often 

massive; predominantly composed of monomict clasts: sandstones, mudstones, sub-

ordinately limestones, quartzites, crystalline rocks and others; grey, red to brown; [3]

bedload sheets, lag deposits

Gcm

clast-supported 

 monomict conglomerate

several meters thick; massive; predominantly composed of monomict clasts: sandstones, 

mudstones, subordinately limestones, quartzites, crystalline rocks and others; small 

amount of sandy or muddy matrix; grey, red to brown; [3] [4]

low sediment concentration flow

Gmm

matrix-supported 

breccia

several meters thick; breccia composed of monomict clasts: sandstones and mudstones, 

subordinately limestones; sandy and muddy matrix; grey, grey-blue [4]

cohesive debris flow

Table 1:    Lithofacies  distinguished  on  the  basis  of  their  macroscopic  features.  Based  on  Miall  (2006)  classification,  the  results  of  this  

study, and: Sikora & Wieser 1974 [1], Kołcon & Wagner 1991 [2], Tokarski et al. 2012 [3], Łoziński et al. 2015 [4] and Bojanowski et  

al. 2016 [5].

Fig. 2.  Fine clastic lithofacies: massive sandstones (Sm) and laminated siltstones (Fl) overlie with sedimentary contact disorganized breccia 

(lithofacies Gmm) of inferred debris-flow origin (Oravica river, for detailed locations see Łoziński et al. 2016). AMS sample names are shown 

in brackets.

background image

484

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

H

F

D

B

A

C

E

G

Fl

(OrFl2)

Hf

(OrHf_2)

Fm

(OrFm)

CCL

(OrCCL)

CL

(OrCL2)

C

Fmc

(OrFm_4)

Fm

Fmm

(Chk1)

Gcm

St

2 cm

2 cm

20 cm

5 cm

20 cm

20 cm

20 cm

3 cm

Fm

Fig. 3.    Neogene  lithofacies  and  sedimentary  structures  of  fine  clastics  of  the  Orava  Basin. AMS  sample  names  are  shown  in  brackets.   

A — River channel lithofacies: conglomerate (Gcm) consisting of sandstones, mudstones and limestones overlaid by trough cross-bedded 

sandstones (St) (Bystry stream).  B — Present-day root cementation (marks) as an example of root bioturbation and quick decomposition  

of  organic  matter  (floodplain  terrace  of  Cichy  stream).    C  —  Single  sandstone  clasts  (marks)  in  massive  clayey  siltstone  (lithofacies  

Fmm – Chyżnik stream) with a specific mottled (grey with red spots) colour.  D — Massive clayey siltstone (lithofacies Fm) exhibiting muddy 

clasts (weathering) on a wave-eroded surface (Orava Lake shore).  E — Bluish floodplain massive clayey siltstone with red to brown siderite- 

cemented horizon (marks; lithofacies Fmc – Oravica river).  F — Lacustrine siltstone-dominated heterolithic deposit with lamination and ripple 

cross-bedding (lithofacies Hf – Oravica river).  G — Lacustrine claystones and laminated siltstones with a load-cast structure (lithofacies  

Fl – Oravica river).  H — Floodplain clayey siltstone (lithofacies Fm) overlaid by swamp lithofacies association: coal (C), coaly claystone 

(CCL) and claystone (CL) exhibiting a gradual change in deposition (Oravica river, for detailed locations see Łoziński et al. 2016).

background image

485

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

activity is recorded by tuffite layers and small intercalations 

(lithofacies T), usually strongly chemically weathered. 

Levels of structural deformation

In order to regard the various levels of deformation in the 

AMS  analysis,  four  levels  of  structural  deformations  have 

been introduced based on field observations. The weakly con-

solidated  category  denotes  soft  deposits  lying  horizontally, 

often  mottled  and  porous  due  to  young  bioturbation,  and  

lacking any tectonic features. The consolidated category does 

not have macroscopic pores, and is relatively better compacted 

than the first one. These two types prevail in the central part of 

the basin. Within the moderately deformed category, an irregu-

lar (or mostly one-directional) sets of joints, as well as normal 

faults,  have  been  observed  (Tokarski  &  Zuchiewicz  1998; 

Kukulak 1999; Łoziński et al. 2015). The moderately deformed 

strata are tilted typically from 5 to 30° and are exposed pre-

dominantly along the southern and south-eastern margin of the 

basin  (from  Nové  Ústie  to  Stare  Bystre  village)  and  in  the 

north  (near  Lipnica  Mała  and  Lipnica  Wielka  villages).  

The  strongly  deformed  category  is  used  for  deposits  tilted 

strongly (50–90°) and/or revealing ductile deformation. Such 

a strong deformation has been observed or suggested by the 

AMS results near the Nové Ústie and Bobrov villages, as well 

as the Kovalinec, Červený, and Wojcieszacki streams.

Magnetic susceptibility carriers

According to the grain size analysis from the OH-1 borehole 

(Pulec 1976), clay- and silt-sized particles usually dominate, 

and  sand  grains  are  a  minor  admixture  (typically  1÷15  %) 

except for sandy intercalations. Sand grains are mainly com-

posed of quartz, pyrite, Fe-carbonates, limonite, apatite, chlo-

rite,  garnet,  calcite,  and  muscovite.  Ferromagnetic  minerals 

are  rare,  but  their  content  may  be  significant  for  magnetic 

measurements (typically: magnetite 0÷2  % of sandy grains), 

especially within Pliocene sediments (up to 7.5  % of sandy 

grains have been noticed). Clay minerals comprising 25–55 % 

of  sediment  mass  are  composed  of  beidellite,  chlorite,  illite 

and  locally  subordinate  kaolinite  (Wiewióra  &  Wyrwicki 

1980; Łoziński et al. 2016). Around 95 % of the specimens 

measured  in  this  study  have  a  susceptibility  of  less  than  

500×10

-6 

SI.  Considering  the  above,  paramagnetic  minerals 

(clay minerals) are expected to control the measured magnetic 

susceptibility in most cases.

In  order  to  examine  magnetic  minerals,  8  representative 

specimens were chosen from 20 magnetically saturated speci-

mens,  which  represented  various  sedimentary  environments 

(Fig. 4A). The curve of the magnetic susceptibility vs. tempe-

rature (Fig. 4B; see Hrouda et al. 1997; Hrouda 2010) con-

firmed  that  the  dominant  component  in  low-susceptibility 

specimen  1  was  paramagnetic  (78–88 %  of  susceptibility 

inferred from hyperbola fitting), whereas high-susceptibility 

specimens 3 and 21 were controlled by ferromagnetic compo-

nent. The results of magnetic saturation (Fig. 4A) showed that 

the  majority  of  specimens  saturated  rapidly  in  fields  up  to 

0.3 T, except for specimens 1 and 6, which saturated in the 

range of 1.5 to 2 T. The demagnetization curves obtained in 

the Lowrie test (Fig. 5; Lowrie 1990) showed that the magneti-

zation values for these two specimens were dozens of times 

lower,  and  blocking  temperatures  of  both  fractions  (soft  

THERMAL ANALYSIS

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

0

100

200

300

400

500

600

susceptibility

(K/K

)

ma

x

temperature  [°C]

SATURATION

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

peak field intensity  [T]

IRM

(M/M

)

ma

x

1

6

2,3,13,17,21,24

3

3

21

1

21

1

COOLING

HEATING

1

2

lake

0.4

#

lithofacies,

environment

NRM

[m A/m]

SIRM

[A/m]

0.1

lake

1.9

4.9

253

MS

[x10 SI]

-6

324

3

11.1

floodplain

22.0

863

6

floodplain

0.4

0.2

424

13

river channel

10.3

22.1

410

17

floodplain

2.6

2.9

254

21

lake (fault zone)

45.2

22.1

646

24

ephemeral lake

8.8

12.0

448

Fl

Fl

Fm

Fmc

St

Fm

Fl

CL

B

A

Fig. 4.  Magnetic surveys of selected eight specimens from various depositional settings (table).  — The progressive acquisition of isothermal 

remnant magnetization (IRM).  B — Variation of bulk susceptibility during heating and cooling.

background image

486

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

575 °C and hard over 650 °C) were higher than for the others. 

The remaining specimens (2, 3, 13, 17, 21, 24) were almost 

completely demagnetized at a temperature of approx. 375 °C 

(soft fraction) and around 320–375 °C (medium and hard frac-

tion). Complete demagnetization was reached at the tempera-

tures similar to those of specimens 1 and 6. All this indicates 

a constant low content of magnetite in 

all  tested  specimens.  In  specimens  

1  and  6  magnetite  is  the  essential 

 ferromagnetic  mineral.  In  the  other 

specimens,  where  the  saturation 

magneti zation  is  relatively  high,  the 

main  ferromagnetic  minerals  s.l. are 

greigite  (see  Babinszki  et  al.  2007; 

Roberts et al. 2011; Reinholdsson et 

al.  2013)  and  subordinately  mono-

clinic  pyrrhotite  (see  Dekkers  1988; 

1989).  Magnetic  iron  sulphides 

appeared  to  exist  in  all  investigated 

environments,  but  their  content 

strongly  varied.  The  presence  of 

greigite  in  high- susceptibility  speci-

mens  may  be  interpreted  as  either 

an  authi genic  chemical  precipitation 

(possibly  supported  by  microbial 

activity) or mineralization by magne-

totactic  bacteria.  High-susceptibility 

specimens  were  not  found  in  this 

study  to  stand  out  significantly  in 

terms  of  the  anisotropy  of  suscepti-

bility,  except  for  samples  collected 

within a strongly tectonically affected 

zone. Regarding the above, the ferro-

magnetic component of susceptibility 

was achieved presumably at the early- 

diagenetic  stage  with  no  preferred 

alignment  of  easy  magnetization 

axes.

AMS facies

 

According  to  the  mineral  content 

discussed  above,  most  specimens 

have  a  susceptibility  controlled  by 

paramagnetics,  predominantly  clay 

minerals.  This  allows  for  interpreta-

tion  of  the  AMS  in  terms  of  clay 

 particles  alignment  being  a  result  

of  sedimentation,  compaction,  and 

tectonic reorientation. The standard 

 cylinder-shaped  specimen  having 

above  10 cm

3

  used  in  this  study 

reflects the total anisotropy of many 

clay-,  silt-  and  sand-sized  grains,  as 

well as other components up to a few 

millimetres wide, such as flora debris, 

muddy  clasts,  lithoclasts,  and  small 

concretions.  It  also  summarizes  the 

 variability  of  laminations  and  small 

0

1

2

3

0

100

200

300

400

500

600

0

5

10

15

0

100

200

300

400

500

600

0.00

0.05

0.10

0

100

200

300

400

500

600

0

5

10

15

0

100

200

300

400

500

600

0

5

10

15

20

0

100

200

300

400

500

600

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0

100

200

300

400

500

600

0.000

0.025

0.050

0.075

0

100

200

300

400

500

600

0.0

2.5

5.0

7.5

0

100

200

300

400

500

600 °C

A/m

LOWRIE TEST

1

2

3

6

13

17

24

21

HARD

MEDIUM

SOFT

Fig. 5.  Thermal demagnetization of a three-component IRM [A/m] produced by magnetizing the 

sample in 3.0 T along its z-axis (orange), followed by 0.4 T along the y-axis (grey), and finally 

0.12 T along the x-axis (blue). For specimen details see Fig. 4A.

background image

487

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

bioturbations.  Sedimentary  structures,  and  other  sediment 

 variables having a size of  several centimetres, may be charac-

terized by a set of AMS specimens, referred to as a sample in 

this  article  and  consis ting  of  up  to  25  specimens  (Fig.  1). 

Using this approach Łoziński et al. (2016) have given the basis 

for  the  definition  of AMS  facies  with  respect  to  lithofacies 

type in the well-studied Oravica River section (Łoziński et al. 

2015). The concept of AMS facies (also AMS fabrics) follows 

the idea of the descriptive categorization of observations and 

measurements, usually with some genetic interpretation, and 

has  already  been  used  by  other  authors  (e.g.,  Garcés  et  al. 

1996; Ort et al. 2015). In this study, AMS facies is defined by 

the distribution of anisotropy degree (P) and shape (T) para-

meters (Fig. 6). For the aniso tropy determined by a given clay 

mineral composition, the anisotropy degree (P) parameter is 

dependent  on  the  clay  content  and  consistency  of  particle 

arrangement. The shape parameter (T) characterizes the type 

of particle alignment: T>0 (oblate ellipsoid) denotes preferred 

plane-parallel  alignment  (foliation),  whereas  T<0  (prolate 

ellipsoid) axis-parallel alignment (lineation). For a statistical 

description  of  specimen  P  and  T  values  within  a  sample, 

median values Pm and Tm (quantile 50  %) and range indi-

cators  Pr  and Tr  (quantile  90  % – quantile  10  %)  have  been 

used. The range of these four  values within the studied sam-

ples are given in Table 2.

All 85 AMS samples have been grouped into AMS facies 

(bracketed facies codes) with the focus on distinguishing pre-

viously defined lithofacies and levels of structural deforma-

tions  (Fig.  7).  The  consolidated and moderately deformed 

categories were combined since they appeared to be undistin-

guishable  in  AMS  fabrics.  The  most  common  AMS  facies 

<Fm> which represents typical massive siltstones (lithofacies 

Fm,  subordinately  Fmm,  and  Fmc)  is  characterized  by  low 

anisotropies (Pm from 1.009 to 1.029) and a high shape range 

(Tr from 0.40 to 1.43), usually manifested by the presence of 

negative  T  values  (prolate  fabric)  of  individual  specimens. 

This  poorly  fits  the  generally  accepted  sedimentary  AMS 

 fabric which is clearly anisotropic and oblate (e.g., Crimes & 

Oldershaw 1967, Tarling & Hrouda 1993). This may be attri-

buted  to  the  wide  range  of  post-sedimentation  processes 

including sediment drying, wetting, and bioturbation, which 

cause  movement  and  reorientation  of  the  sediment  particles 

and  decrease  the  general  anisotropy.  The  group  of  samples 

with the smallest anisotropies (Pm ≤1.008) has been assigned 

to  a  separate  AMS  facies  <Fm-unc>  representing  deposits  

un-  or  weakly-  consolidated,  often  porous  and  subjected  to 

present-day  surface  processes  (lithofacies  Fmm  and  Fm).  

The border between facies <Fm> and <Fm-unc> is arbitrary 

and a range of intermediate fabrics are present. The lithofacies 

Fm in the tectonically deformed zone of the Červený stream 

appears  to  have  reduced  anisotropy  shape  value  so  that 

 negative  T  values  predominate  (Tm  from  −0.38  to  −0.04, 

<Fm-def>). The effect of a presumed horizontal compression 

could have overcome the original oblate anisotropy resulting 

in prolate fabric. Although the deformational factor is unques-

tionable,  the  AMS  fabric  of  samples  is  not  clearly  triaxial 

suggesting  that  a  ductile  deformation  could  have  occurred. 

The more distinct tectonic fabric is present within the tectonic 

zone  of  the  Wojcieszacki  stream  where  k1  axes  are  well-

grouped and k2 and k3 are scattered. The lithofacies <Fm-rot> 

denoting the rotated fabric (k3 rotated from normal to a bed-

ding  plane  position)  has  T  values  predominantly  negative 

(Tm = − 0.16)  and  slightly  higher  anisotropies  than  facies 

<Fm-def>. 

The  AMS  facies  <S>  represents  a  sand-dominated  litho-

facies (mainly Sh, Sp, and St) having low oblate anisotropies  

(Pm from 1.017 to 1.022). Compared to facies <Fm> it has 

a rather narrow range of anisotropy shape values (Tr from 0.20 

to 0.42) which may be attributed to the current-driven grain 

sorting  and  sedimentation  giving  the  well-clustered  AMS 

parameters.  Additionally,  the  post-sedimentation  processes, 

altering  the  magnetic  sedimentary  fabric  within  floodplain 

deposits (lithofacies Fm), could have been absent from river- 

channel deposits. However, a range of intermediate settings 

(e.g., crevasse splays and ephemeral channel deposits) is pos-

sible, so the AMS facies may be ambiguous as well. The other 

lithofacies  deposited  from  the  current  form  a  continuum  of 

AMS facies (<Hst>, <Hsl>, and <Fl>) having a clearly oblate 

fabric  and  well-clustered AMS  parameters.  The  heterolithic 

lithofacies Hs may occur within various sedimentary settings, 

thus  it  has  revealed  two  different  AMS  fabrics.  The  AMS 

facies <Hst> (terrestrial) has a wide range of anisotropy degree 

(Pr  from  0.023  to  0.040)  which  reflects  the  changes  of  the 

depo sition  mechanism.  It  could  have  occurred  within  the 

 settings  of  ephemeral  currents,  such  as  flood  plains  and 

ephemeral channels. In contrast, the AMS facies <Hsl> (lacus-

trine) is characterized by a well-grouped anisotropy degree of 

values (Pr from 0.011 to 0.014). In this case, the grain size and 

depositional  mechanism  (interpreted  as  a  low-density  turbi-

dity current) do not change as much as for <Hst>. While the 

sand-dominated heterolithic facies <Hsl> has Pm values from 

1.024 to 1.032, the silt- and clay-dominated deposits of litho-

facies  Hf,  Fl,  and  CL  represented  by  one AMS  facies  <Fl> 

(lacustrine)  have  higher  anisotropies  with  Pm  ranging  from 

1.034  to  1.041.  The  well-clustered  AMS  parameters,  and 

clearly oblate anisotropy of <Hsl> and <Fl>, point to a stable 

undisturbed  deposition  favoured  in  long-lasting  lakes,  and 

thus provide a good environmental indicator. The contrasting 

AMS facies <CLt> (terrestrial) displays a wide range of aniso-

tropies  (Pr  from  0.036  to  0.071),  similar  to  that  of  facies 

<Hst>. The high dispersion of anisotropies may be attributed 

to the strong dependence of a short-lasting pond deposition to 

environmental  fluctuations  manifested  by  the  influx  of  silty 

material (low anisotropy) and plant debris (high anisotropy). 

In  addition,  oxygen-deficient  conditions  in  swampy  areas 

could  have  favoured  precipitation  of  magnetic  minerals 

(mainly iron sulphides) which contribute to higher magnetic 

susceptibility of facies <CLt> and its anisotropy parameters. 

The  AMS  facies  <CCL>  represents  an  organic  matter- 

abundant clayey lithofacies CCL, with the highest degree of 

observed  anisotropy  (Pm  up  to  1.078).  The  tectonically 

deformed AMS facies <CLt-def>, <Hsl-def>, <Fm-def> and 

background image

488

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

<Fm-rot>  exhibit  lower  shape  Tm  values  than  their  mode-

rately  deformed  equivalents  <CLt>,  <Hsl>  and  <Fm>.  

The prolate shapes are common especially within <Fm-def> 

and <Fm-rot>, so the tectonic overprint appears to be strongly 

lithofacies-dependent.

Facies associations

The lithofacies associations and their succession supported 

by AMS facies analysis lead to the definition of general facies 

associations  and  allow  for  the  interpretation  of  the 

0

10

20

100 200 300 600 1000 2000

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

Km

T

P

n=189

100 200 300 600 1000 2000

0

10

20

100 200 300 600 1000 2000

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=119

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

0

2

4

6

100 200 300 600 1000 2000

n=25

0

2

4

6

100 200 300 600 1000 2000

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=60

0

2

4

6

100 200 300 600 1000 2000

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=25

0

2

4

100 200 300 600 1000 2000

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=48

[x10 SI]

-6

0

3

6

9

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=85

100 200 300 600 1000 2000

100 200 300 600 1000 2000

0

5

10

15

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=128

100 200 300 6001000 2000

0

20

40

60

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=700

100 200 300 600 1000 2000

0

3

6

9

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=93

0

5

10

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=106

100 200 300 600 1000 2000

0

5

10

15

−1

0

1

1.00

1.04

1.08

1.12

n=161

weakly consolidated

consolidated & moderately deformed

strongly deformed

<Fm-unc>

<CLt>

<CCL>

<S>

<Hst>

<Fm-def>

<Fm>

<Fm-rot>

<CLt-def>

<Hsl-def>

<Hsl>

<Fl>

swamp

river channel

lacustrine

(heterolithic)

floodplain

floodplain

lacustrine

lacustrine

(heterolithic)

floodplain

ephemeral

lake

ephemeral

lake

floodplain/

river channel

floodplain

Fig. 6.  The characteristics of AMS facies defined with respect to lithofacies type, inferred depositional environment and degree of deformation: 

mean susceptibility histograms (Km) and plots of anisotropy shape (T) towards anisotropy degree (P). The name of each group designates  

the  lithofacies  determining  the  AMS  fabrics:  CLt  —  claystone  (terrestrial),  CCL  —  coaly  claystone,  Fm  -  massive  siltstone,  Hst  and  

Hsl  —  heterolithic  deposits  (terrestrial  and  lacustrine),  S  —  massive  and  horizontally/trough  cross-bedded  sandstones,  Fl  —  laminated 

 siltstones and claystones. The degree of deformation other than consolidated & moderately deformed is denoted with: unc (weakly consoli-

dated, undeformed, very low anisotropies P), def (tectonically induced particle reorientation; reduced shape parameter T), and rot (strong 

 particle reorientation; partial rotation of k3 from bedding plane). Number of specimens are denoted with n.

background image

489

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

lake

erosion of
basement

sedimentation

river

lithoclasts

sand, silt,
lithoclasts,
muddy intraclasts,
organic matter (bioturbation),
siderite concretions

silt,
clay aggregates

swamp

flood plain

lithofacies

Gmm

C, CCL, CL, L

Gh, Sh, Sp, St, Hs

Fm, Hs, Sh, Sm

Hs, Hf, Fl, CL

AMS facies

<chaotic>

<CLt>, <CCL>

<S>, <Hst>

<Fm>, <Hst>, <S>

<Hsl>, <Fl>

processes

debris-flow
plastic mass

movements

phytogenic

accumulation

suspension

fallout deposition

current deposition

suspension fallout and current

deposition

bioturbation
weathering due to drying, wetting,

and pelitoclast formation

low density turbidity currents

and suspension fallout
deposition

weak bioturbation

hillslope

sedimentary  environment  (Table  3,  Fig.  8).  Tuffites  being 

a  separate  facies  (FA-I)  have  been  noticed  mostly  near  the 

southern margin of the basin (Bystry stream — e.g., Sikora & 

Wieser 1974; Czarny Dunajec river; Oravica river — Łoziński 

et al. 2015) and locally in the northern margin (Lipnica Mała 

village — Kołcon and Wagner 1991; and the Bobrov village 

vicinity  —  Beleš  1974).  The  lacustrine  facies  association  

(FA-II) is designated by mostly fine-grained laminated litho-

facies  Hf  and  Fl. The AMS  facies  <Hsl>  and  <Fl>  provide 

a proper proxy in the case of indistinct sedimentary structures. 

These deposits crop out in the southern part of the basin only 

(Fig. 8) and represent stable lacustrine sedimentary conditions 

AMS facies code

Lithofacies equivalent

Deformation

Pm

(median)

Pr

(range)

Tm

(median)

Tr

(range)

<Fm-unc>

Fm, Fmm, Fmc

weak

1.006÷1.008

0.003÷0.012

0.28 ÷ 0.68

0.38÷1.06

<Fm>

moderate

1.009÷1.029

0.004÷0.029

0.03 ÷0.81

0.40÷1.43

<Fm-def>

strong

1.006÷1.012

0.004÷0.010

-0.38 ÷ -0.04

0.45÷0.84

<Fm-rot>

k2-k3 rotation

1.022

0.017

-0.16

0.62

(low)

(low)

(high)

<S>

Sh, Sp, St, Hs, Fm (sandy)

weak, moderate

1.017 ÷ 1.022 

0.007÷0.019

0.51 ÷ 0.86

0.20÷0.42

(low)

(high)

<Hst>

Hs

weak, moderate

1.023÷1.030

0.023÷0.040

0.64 ÷ 0.89

0.19÷0.29

(high)

<Hsl>

Hs

weak, moderate

1.024÷1.032

0.011÷0.014

0.70 ÷ 0.77

0.15÷0.31

<Hsl-def>

strong

1.031

0.016

0.56

0.41

(low)

<Fl>

Hf, Fl, CL

weak, moderate

1.034÷1.041

0.012÷0.017

0.61 ÷ 0.94

0.10÷0.29

<CLt>

CL, Fm (clayey)

weak, moderate

1.034÷1.067

0.036÷0.071

0.70 ÷ 0.91

0.24÷0.61

<CLt-def>

strong

1.032÷1.039

0.031÷0.033

0.48 ÷ 0.71

0.33÷0.78

(average)

(high)

<CCL>

CCL

weak, moderate

1.051÷1.078

0.029÷0.032

0.79 ÷ 0.83

0.17÷0.24

(high)

<chaotic>

chaotic ellipsoid directions

Table 2:  Statistical characteristics of the AMS facies: median and range values of anisotropy degree P and anisotropy shape T (see text for 

explanations). Unique features of individual facies are marked in bold.

Fig. 7.  Model of lateral diversification of sedimentary processes, lithofacies and AMS facies. Siliciclastic material derived from the eroded 

basement reaches the terrestrial settings of the basin having the form of sand and silt grains, and lithoclasts, or is reworked as muddy intraclasts. 

Muds on flood plains are subjected to synsedimentary weathering and bioturbation. Only fine, well-sorted grains and clay particles are brought 

into the lake setting and settle from low-density currents and suspension fallout. The AMS facies support the environmental interpretation, and 

especially help to distinguish between terrestrial and lacustrine settings (e.g., ambiguous lithofacies CL and Hs).

background image

490

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

over  a  long  period.  The  swamp  facies  association  (FA-III) 

 typically  inferred  from  abundant  organic  matter  (CCL,  C) 

associated with fine-grained deposits (CL, Fm) have a larger 

extent  than  the  latter.  The  areas  of  low  clastic  input,  often  

with  stagnant  water,  favoured  phytogenic  accumulation  and 

organic  matter  preservation  in  oxygen-deficient  conditions 

(Bojanowski  et  al.  2016).  The  organic  detritus  content  is 

marked well by a high grade of magnetic anisotropy. Within 

this  facies  association  freshwater  limestones  may  be  found 

(Łoziński et al. 2015), but they were encountered only in the 

southernmost  outcrops  (Nové  Ústie  village,  Oravica  and 

Jelešńa rivers). The associations mentioned above are spatially 

exclusive with the weakly consolidated floodplain facies asso-

ciation  (FA-IV).  This  one  represents  floodplain  lithofacies  

Fm and Fmm cropping out in rather flat areas of the basin.  

The AMS usually reveals clearly horizontal sedimentary fabric. 

Deposits often exhibit considerable porosity and are affected 

by present-day bioturbation. Considering the above, this facies 

association is presumed to be the youngest of the basin sedi-

mentary sequence and therefore determines the extent of the 

greatest modern subsidence. The consolidated equivalent for 

FA-IV is the floodplain facies association (FA-V), which is the 

most common in the Orava Basin. The massive lithofacies Fm 

and its low magnetic anisotropy suggest that the original struc-

ture has been lost due to synsedimentary weathering including 

the wetting-drying process and bioturbation (Wetzel & Einsele 

1991).  The  finest  organic  detritus  have  been  almost  totally 

wiped  out  which  points  to  well  oxidizing  conditions  within 

exposed mudflats. In contrast, the fluvial channel facies asso-

ciation  (FA-VI)  comprises  distinctly  bedded  sandstones  and 

conglomerates. The AMS fabric is oblate with well-clustered 

anisotropy parameters. Fluvial channel deposits are not very 

common,  but  they  appear  throughout  the  whole  basin.  

The alluvial fan facies association (FA-VII) comprises large 

VIII

VI

V

III

II

I

V

III

IV

III

V

V

V

V V

V

III

II

V

V

V

III

IV

IV

IV

IV

IV

V

IV

IV

VI

V

V

II

II

V

III

II V

V

VIII

V

III

V

V

V

III

I

V

VII

VII

V

VIII

V

V

V

VI

V

VI

V

III

I

III

VII

V

III

VIII

V

III

II

VI

V

VII

VI

V

III

I

VI

VI

V

III

IV

0

2

4 km

49.50°

49.45°

49.40°

49.35°

49.50°

49.45°

49.40°

49.35°

19.60°

19.90°

19.50°

19.60°

19.70°

19.80°

19.90°

19.50°

19.70°

19.80°

floodplain (weakly co

nsolidated

)

flo

odp

lain,

swa

mp, la

ke, tuffit

es

floo

dpla

in, s

wam

p, al

luvia

l fan

, tu

ffite

s

Facies associations

Dominant lithofacies

Minor lithofacies

Dominant AMS facies

Interpretation

FA-I

T

tuffites

FA-II

Hs, Hf, Fl, CL

<Hsl>, <Fl>

long-lasting lake

FA-III

C, CCL, CL

Fm, L

<CCL>, <CLt>

swamp

FA-IV

Fm, Fmm

Sm

<Fm>, <Fm-unc>, <S>

floodplain, weak consolidation or weathered

FA-V

Fm

Fmc, Hs, Sh, Sm

<Fm>, <Hst>, <S>

floodplain

FA-VI

Sh, Sp, St

Gh, Hs

<S>, <Hst>

sand-dominated fluvial channel

FA-VII

Gcm

Sh, Sp, St, Sm

gravel-dominated alluvial fan

FA-VIII

Gmm

<chaotic>

hillslope deposits (colluvium)

Fig. 8.  Facies map of the exposed Neogene infill of the Orava Basin. Floodplain and fluvial channel deposits are widespread throughout  

the whole area of the basin while others are spatially restricted. The individually exposed parts of the basin are probably of a different age.  

The areas with abundant swamp and lake deposits as well as tuffites are interpreted as the oldest part of the basin infilling. At that time  

the basin could have spread further to the south (Skorušina foothills area). For facies association codes see Table 3.

Table 3:  Facies associations and their interpretation. 

background image

491

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

bodies of conglomerates. They are exposed only on the eastern 

and northern margins of the basin, pointing to the location of 

paleosources of clastic supply and probably the synsedimen-

tary tectonic activity. The lithofacies Gmm (FA-VIII) is inter-

preted  as  the  slope  debris-flow  deposits  with  random AMS 

ellipsoid directions (Łoziński et al. 2016). It appears only on 

contact between the lowermost basin deposits and the older 

basement (Czarny Dunajec River, Oravica River, Orava Lake 

dam vicinity and Lipnica Wielka village), and probably corres-

ponds to the onset of sedimentation when the paleorelief of the 

basin area had not been flattened yet.

Structural interpretation of AMS

The  AMS  fabric  and  ellipsoid  axes  direction  constitute 

an excellent tool for structural analysis, especially at the early 

deformation stage (see discussion in Parés 2015). To ensure 

that the acquired AMS directions have not been induced by 

sampling  forces  (e.g.,  Copons  et  al.  1997;  Shimono  et  al. 

2014), different directions of hammering have been adopted 

within  one  sample,  usually  covering  the  range  of  azimuths 

60 ÷120° wide. The k1 axes directions normal to various direc-

tions of sampling have revealed the artificially-induced ellip-

soids (Fig. 9A and B) within samples Bo1, Chk1, JeQ3, Ku1, 

and  UhQ2.  This  points  to  their  weak  consolidation  and  the 

lack  of  tectonic  compression  which  should  be  much  more 

effective than the hammering force transferred by the sampler 

walls’ friction. Four of these samples with horizontal and sub-

horizontal k1–k2 plane orientations (tilted up to 12°, Fig. 10) 

presumably represent the youngest studied deposits located in 

the northern part of the basin. The k1 and k2 axes are mixed 

(Fig.  9D)  or  may  be  grouped  indistinctly  (Fig.  9C  and  E), 

which  corresponds  to  generally  sedimentary  fabric.  Some 

specimens do not pass the anisotropy tests (neither F12 nor 

F23,  at  the  99 %  probability  level;  Jelínek  1977).  In  the 

extreme, 12 isotropic specimens (out of 25) within the sample 

Krz1 (lithofacies Fm) have been excluded from direction ana-

lysis  and  the  remaining  specimens  represent  indistinct  hori-

zontal  bedding  (Fig.  9C).  The  area  of  Lipnica  Wielka  and 

Lipnica Mała villages near the northern basin margin stands 

out for having a clearly triaxial AMS fabric and bedding tilted 

above 15°. However, the most numerous tectonic features are 

present in the southern part of the basin (Fig. 10). The AMS 

ellipsoid axes are predominantly triaxial or indistinctly triaxial 

(Fig.  9F  and  G),  whereas  sedimentary  fabric  is  virtually 

absent. The bedding is commonly tilted above 10° and can be 

vertical within the zones affected tectonically. The Bobrov–

Jelešńa zone has been identified from the vertical k1–k2 plane 

of AMS ellipsoids within sample Bv1 (Figs. 1 and 9H). Further 

investigation has confirmed a strongly inclined bedding plane 

(e.g., sample Bv3) with a strike of 102°. This direction trend is 

accurately continued on the other side of the Orava Lake by 

the valley of the Jelešńa River suggesting that the river may 

follow  a  tectonic  lineament.  The  zone  is  accompanied  by 

slightly inclined deposits (sample JO3 and JO6) with explicit 

triaxial  AMS  fabric  with  k1  oriented  120°  and  suggesting 

(together  with  samples  Bv1  and  Bv3)  the  NNE-trending 

strongest compression. The strong deformation manifested by 

joints,  faults  and  a  fold  has  been  observed  on  the  southern 

shore of the Orava Lake, near the Nové Ústie village. The AMS 

measurements have confirmed a variety of bedding orientation 

from gently inclined (sample Us1 and Us3) to nearly vertical 

(sample Us2), and k1 trending from 105° down to 70° (respec-

tively).  A  similar  trend  of  k1  axis  has  been  found  for  the 

 sample JO1  (k1  at  98°),  from  the  eastern part  of  the  Orava 

Lake  shore  (Fig.  10).  This  area  has  been  affected  by  mass 

movements, which could have resulted in east-trending steeply 

inclined bedding, measured conventionally and from the AMS 

k1–k2 plane for sample JO2 (Fig. 9F). Samples JO4 and JO5 

collected at the top of the landslide scarp are unaffected and 

thus  provide  reliable  k1  directions  following  the  discussed 

trend (128° and 106° respectively). 

The claystones and siltstones (lithofacies CL and Fm) inter-

bedded with fractured coals cropping out in Kovalinec and the 

Uhliská streams are gently tilted and locally faulted. The sam-

ple  Ko2  has  been  interpreted  as  deformed  claystone  (AMS 

facies  <CLt-def>)  due  to  the  decreased  shape  parameter  T 

compared to undeformed claystones (Fig. 6) and a significant 

dispersion of the AMS ellipsoid directions (Fig. 9I) unusual 

for this lithofacies. Similarly, the sample Uh1 provides very 

poor axes grouping making the k1 direction unreliable. They 

have probably undergone a ductile deformation, which is addi-

tionally suggested by fluctuations of lamination observed on 

weathered surfaces. The neighbouring sample UhQ2 has been 

affected  by  sampling  and  is  probably  a  younger,  weakly 

 consolidated deposit.

The  Oravica  and  Jelešńa  sections  located  at  the  southern 

border  of  the  basin  both  represent  moderately  deformed 

(faulted  and  fractured)  deposits,  usually  with  triaxial  AMS 

fabrics. The  directions  of  k1  are  trending  at  85°  in  Oravica 

(Łoziński et al. 2016) and 108° in Jelešńa (Fig. 9G) and seem 

to  follow  the  local  direction  of  the  exposed  contact  of  the 

Neogene  with  the  older  basement.  The  strongly  deformed 

zone  of  Červený  stream  located  north  of  the  Oravica  and 

Jelešńa sections has been identified from numerous faults and 

vertical or steep bedding planes striking at azimuth of 60° and 

confirmed by the AMS k1–k2 planes (samples Ce9 and Ce10, 

Fig. 11A). Most outcrops represent massive lithofacies Fm, so 

the AMS measurements of 11 samples have been done to trace 

the extent and the character of this zone. It has turned out that 

samples (JeQ2, Ce3, and Ce4) collected north of the vertically 

bedded outcrop (and north of 60°-trending line following the 

stream  valley)  are  gently  dipping  in  the  same  direction 

(305/21÷24)  and  have  W–E  trending  k1  axes.  The  samples 

south of this outcrop are either unusually south-eastward tilted 

25÷50°  (Ce6  and  Ce11)  or  represent the AMS  fabric domi-

nated by prolate shapes (Ce7, Je11; Figs. 9J, 11C). The latter 

may  represent  massive  lithofacies  Fm  with  originally  very 

weak oblate anisotropy, therefore easily undergoing deforma-

tion to become prolate. The ductile deformation observed in 

claystones and siltstones (Fig. 11B) could have also affected 

samples Ce7 and Je11 resulting in prolate shapes. Similarly to 

background image

492

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

0

90

180

270

sampling

direction

sampling

directions

sampling-induced

axes

grouping

Bo1

<Fm-unc>

subhorizontal

sedimentary

fabric

CO1
<Fm>

Bo1

<Fm-unc>

poorly defined

horizontal

k1-k2 plane

and axes

grouping

Krz1

<Fm-unc>

poorly grouped

axes

JeQ4

<S>

indistinct triaxial

JO2

<Fm>

poorly grouped axes

of clearly oblate

fabric

Ko2

<CL-def>

triaxial

vertical bedding

Bv1

<Fl>

triaxial

Je9

<Fl>

nearly uniaxial (k1)

fabric

Ce7

<Fm-def>

k2 & k3 mixing

vertical bedding

Wo1

<Fm-rot>

chaotic axes directions

JeQ3

<chaotic>

vertical direction

north

sampling-induced

axes

grouping

specimen

coordinates

geographic

coordinates

A

B

C

D

E

F

G

H

I

K

L

J

k1 (maximum)

k2 (intermediate)

k3 (minimum)

Principal axes of AMS ellipsoid for specimen and mean tensor (respectively):

Fig. 9.  The lower hemisphere’s equal-area projection of the specimen AMS ellipsoid axes within individual samples. The effect of sample- 

induced axes grouping may be verified by applying a multi-directional sampling. The projection in a specimen coordinate system (A) reveals 

k1 clustering in a position normal to the direction of sampling (A and B). The variety of axes clustering depending on the deformation type and 

primary anisotropy degree are presented in a geographic coordinate system in Figs. BL (see text for explanations). The sample name and AMS 

facies (in brackets) are given in the left upper corner of each plot.

background image

493

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

0

2

4 km

49.50°

49.45°

49.40°

49.35°

49.50°

49.45°

49.40°

49.35°

19.60°

19.70°

19.80°

19.90°

19.50°

19.60°

19.70°

19.80°

19.90°

19.50°

7

14

19

7

50

21

12

12

9

37

18

34

7

90

20

20

8

16

15

11

90

16

12

20

17

15

17

12

10

56

90

17

11

8

15

20

17

89

25

9

22

33

10

50

16

6

Červený zone

Bobrov-

Jelešń

a zone

Wojcieszacki

zone

Kovalinec zone

Nové Ústie

zone

triaxial

AMS axes and bedding

poorly grouped

indistinct triaxial

k1

k2

sedimentary

fabric

poor sedimentary

fabric or affected
by sampling

horizontal k1-k2 plane

indistinct horizontal k1-k2 plane

20

inclined k1-k2 plane

vertical k1-k2 plane

90

20

bedding plane

90

vertical bedding plane

zones of strong

deformation

areas moderately

deformed

compression

samples in the north of the tectonically affected area, the sam-

ples Ce6 and Ce11 have a W–E trending k1 axes giving the 

N–S  the  main  compression  axis.  This  combined  with  the 

 general 60°-trend of the whole deformational zone indicates 

a probable sinistral strike-slip fault zone. 

The  outcrops  of  the  Czarny  Dunajec  river  valley  exhibit 

moderately  deformed  to  undeformed  deposits  slightly  tilted 

(up to 16°) towards the north and north-west. The k1 direc-

tions  change  from  the  parallel  to  the  basin  margin  (sample 

CD1),  through W–E trending (samples CD2_1  and CD2_2) 

towards ESE-trending (samples CD4, and CD5). The north- 

(sample By2) and northwestward (By1 and By3) tilt and k1 

axes oriented W–E have also been noted in the Bystry stream 

section.

The extreme deformation has been observed in the neigh-

bouring Wojcieszacki stream. The observed vertical bedding 

of the coal seam has been confirmed by predominantly verti-

cally  oriented  k1–k2  plane  of  the AMS  ellipsoid  (Fig.  9K) 

within siltstones and claystones (lithofacies Fm and subordi-

nately CL). However, a few k3 directions are mixed with k2 

directions creating a picture of transitional ellipsoid orienta-

tions towards the totally tectonic fabric, characterized by pro-

late shapes and axis k3 directed along the strongest compression 

rather than normal to bedding plane (AMS facies <Fm-rot>).

The  variety  of AMS  fabrics  ends  with  samples  OrGmm, 

JeQ3, and LM2 (Fig. 9L), which have chaotic axis directions, 

but maintaining the anisotropy shape and degree parameters 

typical  for  their  lithofacies.  These  have  been  interpreted  as 

deposits  affected  by  ductile  mass  movements  keeping  the 

original  sediment  structure  at  the  scale  of  millimetres,  but 

moving  and  rotating  fragments  at  the  scale  of  several 

centimetres.

Discussion

Lithofacies and tectonic deformations in AMS measurements

The AMS facial model presented in this paper is based on 

the  distribution  of  anisotropy  degree  and  shape  parameters 

within a sample represented by four variables: Pm, Pr, Tm and 

Tr. Traditionally, the prolate shapes (Tm<0) have been indica-

tive of grain orientation being either tectonic or current-driven 

(e.g., Crimes & Oldershaw 1967). This study has confirmed 

that  deformations  diminish  the  anisotropy  shape  parameter, 

although the AMS fabrics vary strongly with respect to litho-

facies (Fig. 6). The lithofacies Fm appears to be most vulne-

rable  to  deformational  overprint.  Specimens  from  this 

lithofacies may acquire partially prolate shapes due to sam-

pling forces and weak deformations (AMS facies <Fm-unc> 

and <Fm>), while other lithofacies remain oblate even within 

tectonic  zones.  This  vulnerability  may  be  attributed  to  low 

original  anisotropy  gained  presumably  in  a  range  of  early 

post-depositional  processes  experienced  by  exposed  fresh 

muds. This shows that the precise estimation of the degree of 

deformation  is  ambiguous  if  the  sedimentary  factor  is 

unknown. However, it seems that some lithofacies may still be 

identified using AMS parameters only (Fig. 6). 

The directions of the AMS have been interpreted as tectonic 

rather than sedimentary. Maximum and intermediate axes are 

Fig. 10.  The structural aspects of the mean AMS tensor axes orientation and their interpretation in terms of bedding and 2-dimensional 

 direction of the strongest compression.

background image

494

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

A

B

C

Fm

(Ce7)

CCL

Fm

Hs

(Ce9)

CL

(Ce10)

bedding

150/50

bedding

150/90

fault 26/53

fault 285/75

fault 94/66

30 cm

4 cm

30 cm

either  mixed  (mostly  in  the  northern  part  of  the  basin)  or 

 represent a remarkably constant basinal trend (southern part of 

the  basin),  unusual  for  a  fluvial-dominated  environment 

 characterized by fluctuating transport directions. This may be 

due to clay minerals contributing significantly to the magnetic 

anisotropy,  which  have  probably  been  deposited  as  muddy 

clasts not favouring the current’s direction. Also, the classical 

interpretation  of  sedimentary  grain  imbrication  (e.g.,  Rees 

1961;  Crimes  &  Oldershaw  1967;  Hamilton  1967;  Rees  & 

Woodall 1975) could not have been applied because it requires 

comparison  of  magnetic  foliation  with  a  bedding  plane  that 

was often undetermined or uncertain.

Considerable variations of the AMS parameters with respect 

to lithofacies indicate the significance of lithofacies-oriented 

sampling, a statistical approach and large datasets of measure-

ments.  The  measured  AMS  of  a  specimen  quantifies  the 

 alignment  of  sediment  particles  at  a  scale  of  millimetres 

 (specimen-scale), while the homogeneity of the sediment over 

tens  of  centimetres  (sample-scale)  may  be  obtained  from 

a multispecimen representation of each lithofacies. These two 

scales may be considered in terms of a time span needed to 

deposit  a  given  thickness  of  sediment.  The  specimen-scale 

result represents a relatively short time of sedimentation and 

characterizes a settling mechanism, mineral composition and 

grain sorting. Accordingly, the sample-scale result shows the 

stability of sedimentary conditions over a long time with the 

exception for beds deposited quickly in one depositional event 

(e.g., AMS  facies  <S>).  In  fine-grained  deposits  the  homo-

geneity  has  been  noticed  within  the AMS  facies  <Hsl>  and 

<Fl> being interpreted as deposits from lakes (lithofacies CL, 

Fl, Hf, and Hs), where the sedimentary environment enables 

long-term undisturbed sedimentation. It appears that all typi-

cally current-driven sediments (AMS facies <S> and <Hsl>) 

show good clustering of P and T parameters (low Pr and Tr). 

The  stronger  the  current,  the  lower  the  anisotropy  degree 

(Pm), probably due to the lower content of anisotropic clay 

minerals. This observation is contrary to deep-sea sediments 

affected by bottom currents where a stronger current is thought 

to  align  ferromagnetic  grains  more  effectively  (Ellwood  & 

Ledbetter  1977;  Joseph  et  al.  1998).  In  contrast,  inhomo-

geneous AMS facies <Hst>, <CLt>, and <CCL> indicate the 

sedimentary  conditions  undergoing  fluctuations  or  being 

affected  by  special  sedimentary  events  (e.g.,  floods).  These 

conditions  are  met  within  a  river  setting,  especially  within 

ephemeral  channels,  local  ponds,  and  overbanks  where  cre-

vasse  splay  is  deposited  (lithofacies  Hs  and  CL).  Swamp 

depo sition may also be easily affected by water table change 

or  by  siliciclastic  influx  during  floods  (lithofacies  CL  and 

CCL). The AMS characteristics of a sample are found at this 

point to be a useful tool in distinguishing between lacustrine 

Fig. 11.  Tectonic deformations within the Neogene fine clastics of the Orava Basin. AMS sample names are shown in brackets.  A — Strongly 

inclined to vertical position of claystones (lithofacies CL) and sandstone-dominated heterolithic deposits (lithofacies Hs) indicates a significant 

deformation zone. Deposits are strongly compacted and faulted (Červený Stream).  B — Ductile deformation resulted in irregular contact of 

coaly claystones (lithofacies CCL) and clayey siltstones (lithofacies Fm) (Červený Stream).  C — Massive siltstones (lithofacies Fm) exhibit 

neither sedimentary, nor tectonic structures which have been inferred from the AMS measurements.

background image

495

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

and terrestrial settings of ambiguous lithofacies Hs and CL. 

The separate group is represented by the AMS facies <Fm> 

usually  having  low  anisotropy  (Pm)  and  low  shape  (Tm) 

 values.  This  has  been  attributed  to  post-depositional 

 weathering   (drying,  wetting,  and  bioturbation)  presumably 

destroying  the  original  sedimentary  structure  (Wetzel  & 

Einsele 1991). 

The evolution of the Orava Basin

The facial scheme for the Orava Basin shows the spatial dif-

ferentiation of facies associations (Fig. 8). Different sedimen-

tary conditions could have taken place in the north and south 

during the basin’s development, but it can also be the case of 

stronger erosion in the south uncovering the older part of the 

sedimentary  sequence. The  conglomerate  alluvial  fan  facies 

(Gcm) is a good premise for the proximity of a highland hilly 

area  and  thus  it  indicates  the  zones  of  basin  paleomargins. 

These facies have been noted at the northernmost part of the 

basin near Lipnica Mała village and near the eastern margin, 

especially  building  up  of  the  large  Domański  Wierch  cone 

(Tokarski et al. 2012, 2016). The gravelly facies (except for 

Gmm) are missing in the western part and primarily all along 

the present-day southern basin margin (Fig. 8). On the other 

hand, the lacustrine facies are found only in the southern basin 

area and the transport direction measured in the Oravica River 

section (Łoziński et al. 2015) being towards S and SW points 

to a subsidence centre in the area of the present-day Skorušina 

foothills. The uplift of Paleogene rocks in this area makes the 

Orava  Basin  inversion  in  the  south  very  probable,  as  has 

already been suggested by other researchers (Nagy et al. 1996; 

Tokarski et al. 2012; Łoziński et al. 2015). This is further sup-

ported  by  the  contemporary  hilly  terrain  morphology  in  the 

area  south  of  the  line  of  the  Bobrov–Chyżne–Chochołów 

 villages. The age of the southernmost deposits is weakly con-

strained, but it has been estimated to be Sarmatian in the vici-

nity  of  Nové  Ústie  (Nagy  et  al.  1996).  The  palynological 

investigation of Neogene deposits (Oszast & Stuchlik 1977) 

has shown a progressive climate shift from warm and humid to 

temperate and dry, which can be associated with the termina-

tion of the Middle Miocene Climatic Optimum (Zachos et al. 

2001) towards the cool climate in the Quaternary. Favourable 

conditions  for  peat  development  could  have  existed  in  the 

Middle Miocene, and may be linked with the abundant coal 

seams in the southern part of the basin and in the lower part of 

the  basin  filling  (borehole  Czarny  Dunajec-IG1;  Watycha 

1971). This area of the basin is also characterized by locally 

occurring siderite concretions related to swamps (Bojanowski 

et al. 2016), freshwater limestones, and tuffite intercalations 

probably related to the Sarmatian stage of volcanic activity in 

the Western Carpathians (Vass et al. 1988). These lithologies 

are absent in the northern part of the basin (Fig. 8) where the 

upper  part  of  the  basin  sequence  crops  out.  The  inversion 

 process  also  has  regional  implications.  The  Skorušina  and 

Gubałówka  foothills  were  proposed  by Watycha  (1976a)  as 

a barrier which blocked material supply from the Tatra Mts in 

the Neogene. However, the inferred lack of such a barrier in 

the Sarmatian along with the absence of this material in the 

basin suggests that the Tatra Mts might not have been exposed 

enough yet although they were already uplifted (Śmigielski et 

al. 2016).

The  deformation  inferred  from  the  AMS  measurements 

 provides a picture of a predominantly N to NE trending stron-

gest compression axis in the south part of the basin (Fig. 10). 

The  local  deviations  may  be  attributed  to  faulting  and  the 

impact  of  basin  marginal  zones.  The  recorded  stress  may 

depict the tectonic regime of either the basin opening or its 

inversion,  but  the  tectonic AMS  fabric  appearing  predomi-

nantly  within  the  uplifted  southern  area  makes  the  second 

hypothesis more probable. Moreover, Mattei et al. (1997) sug-

gested that the magnetic lineation (k1 direction) parallel to dip 

direction  of  bedding  (perpendicular  to  normal  faults)  is 

 characteristic  for  tilted  bedding  in  an  extensional  regime, 

while lineation perpendicular to dip direction denotes a shor-

tening in the folded strata. In the southern part of the Orava 

Basin  the  magnetic  lineation  has  a  prevailing  WNW–ESE 

trend,  which,  compared  with  a  similar  trend  of  southern 

basin-bounding faults (Pomianowski 2003, Fig. 12) and bed-

ding tilted northward, suggests that the inversion could have 

taken  place  in  a  N  to  NE-trending  compressional  regime, 

resulting in a gradual uplifting of the southernmost part of the 

basin. In this sense, the present-day basin geometry may be 

treated as an asymmetrical or half- graben (Pospíšil 1993 in 

Gross  et  al.  1993b),  which  seems  to  be  a  common  trend  in 

other  intramontane  basins,  such  as  the  Nowy  Targ  Basin  

and  Turiec  Basin  (Pomianowski  2003;  Kováč  et  al.  2011).  

The  acqui red  direction  of  compression  is  in  accordance  

with  the  NE-  and  NNE-trend  inferred  from  fractured  clasts 

(Tokarski & Zuchiewicz 1998), although this direction could 

have been rotated (Baumgart-Kotarba et al. 2004; Tokarski et 

al. 2016). The uplift has been accommodated at the basin mar-

gins by dip-slip and strike-slip movements (Fig. 12) probably 

along regional reactivated strike-slip fault zones (e.g., Myjava 

Fault,  also  referred  to  as  Orava  Fault;  Bac-Moszaszwili  

1993; Baumgart-Kotarba et al. 2004). The intrabasinal fault 

zones, Bobrov–Jelešńa and Červený (introduced previously as 

 topo  lineaments, e.g. Łój et al. 2007), could have had a signi-

ficant  dip-slip  component  together  with  a  strike-slip  move-

ment  of  a  second-order  with  respect  to  regional  faults.  

The  inferred  extent  of  the  basin  inversion  is  limited  in  the 

north  approximately  by  the  Chochołów–Chyżne–Bobrov–

Vavrečka line.

The  Orava  Basin  represents  an  important  element  of  the 

Carpathian structural domain recording the neo-Alpine stage 

of  deformation.  Its  southern  part  has  shown  a  considerable 

tectonic  contribution  to  the  magnetic  fabric,  partly  due  to 

weak compaction and cementation of sediments. In turn, the 

rocks of the Skorušina foothills adjacent to the Orava Basin 

have revealed sedimentary or weakly deformed AMS fabric 

resulting from NW–SE shortening (Hrouda & Potfaj 1993). 

Such  a  trend  corresponds  well  with  NE-trending  magnetic 

 lineations  within  the  neighbouring  area  of  the  Magura  Unit 

background image

496

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

representing relatively weakly deformed rocks and interpreted 

as a tectonically passive element during folding and thrusting 

(Hrouda et al. 2009; Márton et al. 2009). These results from 

older units and the obtained N to NE trending compression in 

the  Orava  Basin  point  to  a  major  shift  of  the  directions  of 

regional stress field during the Neogene. According to many 

authors (e.g., Aleksandrowski 1985; Pešková et al. 2009) this 

change could have taken place in the Early/Middle Miocene. 

However,  it  was  also  suggested  that  the  basin  uplift,  which 

could  have  occurred  after  the  tectonic  regime  change,  has 

 continued since the Late Pliocene/Early Quaternary until the 

present-day  (Baumgart-Kotarba  1996;  Nagy  et  al.  1996; 

Tokarski et al. 2012). The direction of strongest compression 

suggested  in  this  paper  is  supported  by  the  similar  NNE-

trending contemporary thin-skin compressional regime resul-

ting from movement of the ALCAPA unit (Jarosiński 1998; 

Zuchiewicz et al. 2002). 

Conclusions

•  A detailed scheme of 17 lithofacies representing predomi-

nantly fine-clastic deposits has been defined for the whole 

area of the Orava Basin.

•  Median and range values of anisotropy degree (P) and shape 

(T) within individual sampled locations have been used to 

distinguish 12 AMS facies with respect to the sedimentary 

environment and deformation intensity. The magnetic 

method  proved  to  be  very  effective  in  analysing  weakly 

deformed  fine-clastic  terrestrial  deposits  often  lacking 

 macroscopic sedimentary features.

•  Mapping  of  the  basin  area  using  lithofacies  and  AMS  

facies allowed us to mark the extent of the basin inversion. 

The result supports the hypothesis of a significantly larger 

basin  extent  in  the  south  followed  by  an  uplift  and  

a complete removal of deposits in the area of the present-day 

Skorušina foothills.

•  AMS measurements enabled us to identify two intrabasinal 

fault zones: Bobrov–Jelešńa and Červený. The latter points 

to the reactivation of faults related to the Pieniny Klippen 

Belt in the basement after basin sedimentation.

•  The structural framework for the inversion is comprised of 

the  regional  NE-trending  strike-slip  fault  zones  together 

with the secondary transverse faults (e.g., Bobrov–Jelešńa 

and Červený) dividing the basin infilling into independently 

uplifted blocks.

•  AMS ellipsoid directions obtained from the uplifted southern 

part  of  the  basin  show  that  the  inversion  has  undergone 

compression  in  the  NNE-trending  thin-skin  presumably 

related to the northward advance of the ALCAPA plate. 

Acknowledgements: The study was financed by the National 

Science  Centre  (NCN)  grant  no.  2011/01/B/ST10/07591.  

The authors are pleased to offer special thanks to Prof.  František 

Hrouda, Dr. Alexander Nagy and Dr. Petr Pruner (reviewers), 

Prof. Andreas  Wetzel, Dr. Michal Šujan, Radosław Wasiluk and 

Katarzyna  Dudzisz who have greatly contributed to this research 

with their advice, discussions, and archived data collection.

49.50°

49.45°

49.40°

49.35°

49.50°

49.45°

49.40°

19.50°

19.60°

19.70°

19.80°

19.90°

19.50°

19.60°

19.70°

19.80°

area

of basin

uplift

area

of subsidenc

e

(PKB in the basement)

Bobrov-Jele

šńa zone

Červený zone

0

2

4 km

regional fault zones

intrabasinal faults

areas of inferred basin uplift

Structural interpretation

depression-bounding faults

(gravimetric survey)

direction of compression

Fig. 12.  Interpretation of the Orava Basin structural framework during its inversion. The basin is divided by strike-slip NE-trending fault zones 

into independent blocks cut by secondary-order intrabasinal faults and deformation zones (observed). The southern central part of the basin 

could have undergone an uplift in the NNE-trending compression regime. The arrangement of western and eastern marginal parts is determined 

by strike-slip zones and the movement of surrounding structural blocks. Depression-bounding faults after Pomianowski (2003).

background image

497

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

References

Aleksandrowski  P.  1985:  Structure  of  the  Mt.  Babia  Góra  region, 

 Magura Nappe, Western Outer Carpathians: An interference of 

West and East Carpathian fold trends. Ann. Soc. Geol. Pol. 55, 

375–422 (in Polish with English summary).

Baas J. H., Hailwood E. A., McCaffrey W. D., Kay M. & Jones R. 

2007:  Directional  petrological  characterisation  of  deep-marine 

sandstones  using  grain  fabric  and  permeability  anisotropy: 

metho dologies, theory, application and suggestions for integra-

tion. Earth-Sci. Rev. 82, 1, 101–142.

Babinszki E., Márton E., Márton P. & Kiss L. F. 2007: Widespread 

occurrence of greigite in the sediments of Lake Pannon: Implica-

tions  for  environment  and  magnetostratigraphy.  Palaeogeogr. 

Palaeoclimatol. Palaeoecol. 252, 3, 626–636.

Bac-Moszaszwili M. 1993: Structure of the western termination of 

the Tatra massif. Ann. Soc. Geol. Pol. 63,  1–3,  167–193  (in 

 Polish with English summary).

Baumgart-Kotarba M. 1996: On origin and age of the Orava Basin, 

West  Carpathians.  Stud. Geomorph. Carpatho-Balcanica 30, 

101–116.

Baumgart-Kotarba  M.  2001:  Continuous  tectonic  evolution  of  the 

Orava  basin  from  Late  Badenian  to  the  present-day?  Geol. 

 Carpath. 52, 103–110.

Baumgart-Kotarba M., Michalik M., Paszkowski M., Świerczewska 

A., Szulc J. & Uchmann A. 1996: Provenance and age of coarse 

clastic alluvial deposits at Čimhova in the Orava Basin, Western 

Carpathians, Slovakia. Pol. Miner. Soc., Spec. Pap. 7, 68–72.

Baumgart-Kotarba  M.,  Marcak  H.,  Márton  E.  &  Imre  G.  2004: 

 Rotation along transverse transforming Orava strike-slip fault in 

the light of geomorphological, geophysical and paleomagnetic 

data (Western Carpathians). Geol. Carpath. 55, 219–226.

Beleš  F.  1974:  Occurrence  of  bentonite  in  the  Orava  river  basin. 

 Mineralia Slovaca  6/2,  155–157.  (in  Slovak  with  English 

 summary).

Birkenmajer K. 1954: Geological investigations of Podhale Neogene 

(Central  Carpathians).  Bull. Geol. Inst, Warsaw  86,  59–79  (in 

Polish with English summary).

Birkenmajer K. 1960: Geology of the Pieniny Klippen Belt of Poland. 

Jahrb. Geol. Bundesanst. 103: 1–36.

Birkenmajer K. 1978. Neogene to Early Pleistocene subsidence close 

to the Pieniny Klippen Belt, Polish Carpathians. Stud. Geomorph. 

Carpatho-Balcanica 12, 17–28.

Birkenmajer K. & Oszczypko N. 1989: Cretaceous and Palaeogene 

lithostratigraphic units of the Magura Nappe, Krynica Subunit, 

Carpathians. Ann. Soc. Geol. Pol. 59, 145–181.

Biró T., Karátson D., Márton E., Józsa S. & Bradák B. 2015: Paleo-

flow  directions  of  a  subaqueous  lahar  deposit  around  the 

 Miocene Keserűs Hill lava dome complex (North Hungary) as 

constrained  by  photo-statistics  and  anisotropy  of  magnetic 

 susceptibility  (AMS).  J. Volcanol. Geotherm. Res. 302, 

 

141–149.

Bojanowski M., Jaroszewicz E., Košir A., Łoziński M., Marynowski 

L.,  Wysocka  A.  &  Derkowski  A.  2016:  Root-related  rhodo-

chrosite and concretionary siderite formation in oxygen- deficient 

conditions induced by a ground-water table rise. Sedimentology 

63, 523–551.

Cieszkowski M. 1995: Marine Miocene deposits close to Nowy Targ 

and  their  importance  for  determining  age  of  the  Orava-Nowy 

Targ Basin. Kwartalnik AGH Geologia 21, 2, 153–168 (in Polish 

with English summary).

Cieszkowski M., Oszczypko N. & Zuchiewicz W. 1989: Upper Creta-

ceous  siliciclastic  carbonate  turbidites  at  Szczawa,  Magura 

Nappe, West Carpathians, Poland. Bull. Pol. Acad. Sci., Earth 

Sci. 37, 231–245.

Copons  R.,  Parés  J.M.,  Dinarès-Turell  J.  &  Bordonau  J.  1997: 

 Sampling  Induced AMS  in  Soft  Sediments: A  Case  Study  in 

 Holocene  Glaciolacustrine  Rhythmites  from  Lake  Barrancs 

(Central Pyrenees, Spain). Phys. Chem. Earth 22, 1–2, 137–141.

Crimes T. P. & Oldershaw M. A. 1967: Palaeocurrent determinations 

by magnetic fabric measurements on the Cambrian rocks of St. 

Tudwal’s Peninsula, North Wales. Geol. J. 5, 2, 217–232.

Dekkers M. J. 1988: Magnetic properties of natural pyrrhotite Part I: 

Behaviour of initial susceptibility and saturation-magneti zation-

related  rock-magnetic  parameters  in  a  grain-size  dependent 

framework. Phys. Earth Planet. Inter. 52, 3-4, 376–393.

Dekkers  M.  J.  1989:  Magnetic  properties  of  natural  pyrrhotite.  II. 

High-and low-temperature behaviour of Jrs and TRM as func-

tion of grain size. Phys. Earth Planet. Inter. 57, 3-4, 266–283.

Ellwood B. B. & Ledbetter M. T. 1977: Antarctic bottom water fluc-

tuations  in  the  Vema  Channel:  effects  of  velocity  changes  on 

particle  alignment  and  size.  Earth Planet. Sci. Lett. 35, 2,  

189–198.

Eyles N., Day T. E. & Gavican A. 1987: Depositional controls on the 

magnetic  characteristics  of  lodgement  tills  and  other  glacial 

diamict facies. Can. J. Earth Sci. 24, 12, 2436–2458.

Garcés M., Parés J.M. & Cabrera L. 1996: Inclination error linked to 

sedimentary  facies  in  Miocene  detrital  sequences  from  the 

Vallès-Penedès  Basin  (NE  Spain).  Geol. Soc. London, Spec. 

Publ. 105, 91–99.

Garecka  M.  2005:  Calcareous  nannoplankton  from  the  Podhale 

 Flysch  (Oligocene-Miocene,  Inner  Carpathians,  Poland).  Stud. 

Geol. Pol. 124, 353–370.

Graham J. W. 1954: Magnetic susceptibility anisotropy, an unexploi-

ted petrofabric element. Geol. Soc. Am. Bull. 65, 12, 1257–1258.

Gravenor C. P. & Wong T. 1987: Magnetic and pebble fabrics and 

origin  of  the  Sunnybrook Till,  Scarborough,  Ontario,  Canada. 

Can. J. Earth Sci. 24, 10, 2038–2046.

Gross P., Filo I., Halouzka R., Haško J., Havrila M., Kováč P., Maglay 

J., Mello J. & Nagy A. 1993a: Geological map of southern and 

eastern part of Orava. State Geol. Inst. of Dionýz Štúr, Bratislava.

Gross  P.,  Köhler  E.,  Haško  J.,  Halouzka  R.,  Mello  J.  &  Nagy A. 

1993b: Geology of southern and eastern Orava. State Geol. Inst. 

of Dionýz Štúr, Bratislava, 1–319 (in Slovak).

Hamilton N. 1967: The effect of magnetic and hydrodynamic control 

on the susceptibility anisotropy of redeposited silt. J. Geol. 75, 6, 

738–743.

Hrouda F. 1982: Magnetic anisotropy of rocks and its application in 

geology and geophysics. Geophysical Surveys 5, 37–82.

Hrouda F. 2010: Modelling relationship between bulk susceptibility 

and AMS in rocks consisting of two magnetic fractions repre-

sented by ferromagnetic and paramagnetic minerals — Implica-

tions for understanding magnetic fabrics in deformed rocks. J. 

Geol. Soc. India 75, 1, 254–266.

Hrouda  F.  &  Potfaj  M.  1993:  Deformation  of  sediments  in  the 

post-orogenic Intra-Carpathian Paleogene Basin as indicated by 

magnetic anisotropy. Tectonophysics 224, 4, 425–434.

Hrouda F., Jelínek V. & Zapletal K. 1997: Refined technique for sus-

ceptibility resolution into ferromagnetic and paramagnetic com-

ponents based on susceptibility temperature-variation measure-

ment. Geophys. J. Int. 129, 3, 715–719.

Hrouda F., Krejčí O., Potfaj M. & Stráník Z. 2009: Magnetic fabric 

and weak deformation in sandstones of accretionary prisms of 

the Flysch and Klippen Belts of the Western Carpathians: Mostly 

offscraping indicated. Tectonophysics 479, 3, 254–270.

Jankowski  L.  &  Margielewski  W.  2014:  Structural  control  on  the 

 Outer Carpathians relief — a new approach. Przegl. Geol. 62, 1, 

29–35 (in Polish with English summary).

Jarosiński M. 1998: Contemporary stress field distortion in the Polish 

part  of  the  Western  Outer  Carpathians  and  their  basement. 

 Tectonophysics 297, 1, 91–119.

background image

498

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

Jelínek  V.  1977:  The  statistical  theory  of  measuring  anisotropy  of 

magnetic susceptibility of rocks and its application. Geofyzika

Brno, 1–88.

Jelínek V. & Kropáček V. 1978: Statistical processing of anisotropy of 

magnetic  susceptibility  measured  on  groups  of  specimens. 

Studia Geophys. Geod. 22, 50–62.

Joseph L. H., Rea D. K. & van der Pluijm B. A. 1998: Use of grain 

size and magnetic fabric analyses to distinguish among deposi-

tional environments. Paleoceanography 13, 5, 491–501.

Kanamatsu T. & Herrero-Bervera E. 2006: Anisotropy of magnetic 

susceptibility and paleomagnetic studies in relation to the tecto-

nic evolution of the Miocene–Pleistocene accretionary sequence 

in the Boso and Miura Peninsulas, central Japan. Tectonophysics 

418, 1, 131–144.

Klappa C. F. 1980: Rhizoliths in terrestrial carbonates: classification, 

recognition, genesis and significance. Sedimentology 27, 

 

613–629.

Kołcon I. & Wagner M. 1991: Brown coal from Neogene sediments 

of  the  Orawa-Nowy  Targ  basin  —  petrological  study.  Geol. 

 Quarterly 35, 3, 305–322 (in Polish with English summary).

Kováč  M.,  Nagymarosy  A.,  Soták  J.  &  Šutovská  K.  1993:  Late 

 Tertiary  paleogeographic  evolution  of  Western  Carpathians. 

 Tectonophysics 226, 401–415.

Kováč M., Hók J., Minár J., Vojtko R., Bielik M., Pipík R., Rakús M., 

Kráľ J., Šujan M. & Králiková S. 2011: Neogene and Quater-

nary  development  of  the  Turiec  Basin  and  landscape  in  its 

catchment: a tentative mass balance model. Geol. Carpath. 62, 

4, 361–379.

Kukulak J. 1998: Sedimentary characteristics of the topmost deposits, 

Domański  Wierch  alluvial  cone  (Neogene/Pleistocene),  Orava 

Depression,  Polish  Carpathians.  Stud. Geol. Pol. 111, 93–111  

(in Polish with English summary).

Kukulak J. 1999: Orientation of joints and faults in the SE part of the 

Orawa Depression. Przegl. Geol. 47, 11, 1021–1026 (in Polish 

with English summary).

Lowrie W. 1990: Identification of ferromagnetic minerals in a rock by 

coercivity and unblocking temperature properties. Geophys. Res. 

Lett. 17, 159–162.

Łoziński M., Wysocka A. & Ludwiniak M. 2015: Neogene terrestrial 

sedimentary  environments  of  the  Orava-Nowy  Targ  Basin:  

a  case  study  of  the  Oravica  River  section  near  Čimhová, 

 Slovakia. Geol. Quarterly 59, 1, 21–34.

Łoziński  M.,  Ziółkowski  P.  &  Wysocka  A.  2016:  Lithofacies  and 

 terrestrial  sedimentary  environments  in  AMS  measurements: 

case study from Neogene of Oravica River section, Čimhová, 

Slovakia. Geol. Quarterly 60, 2, 259–272.

Łój M., Madej J., Porzucek S. & Zuchiewicz W. 2007: Young tecto-

nics  of  the  Orava  Basin  and  southern  portion  of  the  Magura 

Nappe,  Polish  western  Carpathians,  in  the  light  of  gravity 

 studies: a new research proposal. Studia Quaternaria 24, 53–60.

Malata  E.,  Malata  T.  &  Oszczypko  N.  1996:  Litho-  and  biostrati-

graphy of the Magura Nappe in the eastern part of the Beskid 

Wyspowy Range (Polish Western Carpathians). Ann. Soc. Geol. 

Pol. 66, 269–283.

Márton  E.,  Rauch-Włodarska  M.,  Krejčí  O.,  Tokarski  A.  K.  &  

Bubík M. 2009: An integrated palaeomagnetic and AMS study 

of  the  Tertiary  flysch  from  the  Outer  Western  Carpathians. 

 Geophys. J. Int. 177, 3, 925–940.

Mattei M., Sagnotti L., Faccenna C., & Funiciello R. 1997: Magnetic 

fabric  of  weakly  deformed  clay-rich  sediments  in  the  Italian 

 peninsula:  relationship  with  compressional  and  extensional 

 tectonics.  Tectonophysics 271, 1, 107–122.

Mazzoli S., Szaniawski R., Mittiga F., Ascione A. & Capalbo A. 2012: 

Tectonic evolution of Pliocene–Pleistocene wedge-top basins of 

the southern Apennines: new constraints from magnetic fabric 

analysis. Canadian Journal of Earth Sciences 49, 3, 492–509.

Miall  A.D.  2000:  Principles  of  Sedimentary  Basin  Analysis. 

 Springer-Verlag, Berlin–Heidelberg–New York, 1–616.

Miall  A.D.  2006:  The  Geology  of  Fluvial  Deposits:  Sedimentary 

 Facies, Basin Analysis and Petroleum Geology. Springer, Berlin, 

1–582.

Nagy A., Vass D., Petrik F. & Pereszlényi M. 1996: Tectogenesis of 

the Orava Depression in the light of latest biostratigraphic inves-

tigations  and  organic  matter  alteration  studies.  Slovak Geol. 

Mag. 1, 49–58.

Novak B., Housen B., Kitamura Y., Kanamatsu T. & Kawamura K. 

2014:  Magnetic  fabric  analyses  as  a  method  for  determining 

sedi ment transport and deposition in deep sea sediments. Mar. 

Geol. 356, 19–30.

Olszewska B. & Wieczorek J. 1998: The Paleogene of the Podhale 

Basin  (Polish  Inner  Carpathians)  —  micropaleontological 

 perspective.  Przegl. Geol.  46,  8/2,  721–728  (in  Polish  with 

 English summary).

Ort M.H., Newkirk T.T., Vilas J.F. & Vazquez J.A. 2015: Towards the 

definition of AMS facies in the deposits of pyroclastic density 

currents. Geol. Soc. London, Spec. Publ. 396, 205–226.

Oszast J. & Stuchlik L. 1977: The Neogene vegetation of the Podhale 

(West Carpathians, Poland). Acta Palaeobotanica 18, 45–86 (in 

Polish with English summary).

Parés J.M. 2015: Sixty years of anisotropy of magnetic susceptibility 

in deformed sedimentary rocks. Frontiers in Earth Science 3, 4, 

1–12.

Parés J.M., van der Pluijm B. A. & Dinarès-Turell J. 1999: Evolution 

of magnetic fabrics during incipient deformation of mudrocks 

(Pyrenees, northern Spain). Tectonophysics 307, 1–14.

Parés J. M., Hassold N. J. C., Rea D. K. & van der Pluijm B. A. 2007: 

Paleocurrent  directions  from  paleomagnetic  reorientation  of 

magnetic fabrics in deep-sea sediments at the Antarctic Penin-

sula Pacific margin (ODP Sites 1095, 1101). Ma. Geo. 242, 4, 

261–269.

Park C. K., Doh S. J., Suk D. W. & Kim K. H. 2000: Sedimentary 

fabric on deep-sea sediments from KODOS area in the eastern 

Pacific. Mar. Geol. 171, 1, 115–126.

Park M. E., Cho H., Son M. & Sohn Y. K. 2013: Depositional proces-

ses,  paleoflow  patterns,  and  evolution  of  a  Miocene  gravelly 

fan-delta  system  in  SE  Korea  constrained  by  anisotropy  of 

 magnetic susceptibility analysis of interbedded mudrocks. Mar. 

 Petrol.  Geol. 48, 206–223.

Pešková  I., Vojtko  R.,  Starek  D.  &  Sliva  Ľ.  2009:  Late  Eocene  to 

Quaternary deformation and stress field evolution of the Orava 

region (Western Carpathians). Acta Geol. Pol. 59, 1, 73–91.

Polášek S. 1959: Coal deposits of the Neogene Orava Basin. Open file 

reportState Geol. Inst. of Dionýz Štúr, Bratislava (in Slovak).

Pomianowski P. 2003: Tectonics of the Orava-Nowy Targ Basin — 

results of the combined analysis of the gravity and geoelectrical 

data.  Przegl. Geol.  51,  6,  498–506  (in  Polish  with  English 

 summary).

Pospíšil L. 1990: The present possibilities of identification of shear 

zones in the area of the West Carpathians. Mineralia Slovaca 22, 

19–31 (in Slovak with English summary).

Pulec M. 1976: Final report from the drillhole OH-1 (Hladovka — 

 Orava Basin). Open file reportState Geol. Inst. of Dionýz Štúr

Bratislava (in Slovak).

R  Core Team  2015:  R: A  language  and  environment  for  statistical 

computing.  R Foundation for Statistical Computing, Vienna, 

Austria, www.r-project.org.

Rees A. I. 1961: The effect of water currents on the magnetic rema-

nence  and  anisotropy  of  susceptibility  of  some  sediments. 

 Geophys. J. Int. 5, 3, 235–251.

Rees A. I. 1965: The Use of Anisotropy of Magnetic Susceptibility in 

the  Estimation  of  Sedimentary  Fabric.  Sedimentology 4, 4, 

 257–271.

background image

499

THE TECTONO-SEDIMENTARY AMS STUDY OF THE NEOGENE FROM THE ORAVA BASIN

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

Rees A.I. & Woodall W.A. 1975: The magnetic fabric of some labo-

ratory-deposited  sediments.  Earth Planet. Sci. Lett. 25, 2, 

 121–130.

Reinholdsson  M.,  Snowball  I.,  Zillén  L.,  Lenz  C.  &  Conley  D.  J. 

2013: Magnetic enhancement of Baltic Sea sapropels by greigite 

magnetofossils. Earth Planet. Sci. Lett. 366, 137–150.

Roberts A. P., Chang L., Rowan C. J., Horng C. S. & Florindo F. 2011: 

Magnetic properties of sedimentary greigite (Fe

3

S

4

): An update. 

Rev. Geophys. 49, 1, 1–46.

Shimono T., Yamazaki T. & Inoue S. 2014: Influence of sampling on 

magnetic susceptibility anisotropy of soft sediments: compari-

son between gravity and piston cores. Earth, Planets and Space 

66, 3, doi: 10.1186/1880-5981-66-3.

Shor A. N., Kent D. V. & Flood R. D. 1984: Contourite or turbidite?: 

Magnetic  fabric  of  fine-grained  Quaternary  sediments,  Nova 

Scotia  continental  rise.  Geol. Soc. London, Spec. Publ. 15, 1, 

257–273.

Sikora W. & Wieser T. 1974: Pyroclastic deposits in the Neogene of 

intramontane  Orava-Nowy Targ  Basin.  Geol. Quarterly 18, 2, 

441–443 (in Polish).

Soták J. 1998a: Sequence stratigraphy approach to the Central Car-

pathian Paleogene (Eastern Slovakia): eustasy and tectonics as 

controls  of  deep  sea  fan  deposition.  Slovak Geol. Mag. 4, 

 185–190.

Soták  J.  1998b:  Central  Carpathian  Paleogene  and  its  constrains. 

 Slovak Geol. Mag. 4, 203–211.

Struska M. 2008: Neogene-Quaternary structural development of the 

Orava Basin on the basis of geological, geomorphological and 

remote sensing investigations. PhD thesis,  AGH University of 

Science and Technology, Cracow (in Polish).

Śmigielski M., Sinclair H.D., Stuart F.M., Persano C. & Krzywiec 

P.  2016:  Exhumation  history  of  the Tatry  Mountains, Western 

 Carpathians, constrained by low-temperature thermochronology. 

Tectonics 35, 1, 187–207.

Tamaki M., Suzuki K. & Fujii T. 2015: Paleocurrent analysis of Pleis-

tocene  turbidite  sediments  in  the  forearc  basin  inferred  from 

 anisotropy of magnetic susceptibility and paleomagnetic data at 

the gas hydrate production test site in the eastern Nankai Trough. 

Mar. Petrol. Geol. 66, 404–417.

Tarling D. H. & Hrouda F. 1993: The magnetic anisotropy of rocks. 

Chapman & Hall, London, 1–217.

Tokarski  A.K.  &  Zuchiewicz  W.  1998:  Fractured  clasts  in  the 

Domański Wierch series: Contribution to structural evolution of 

the Orava Basin (Carpathians, Poland) during Neogene through 

Quaternary  times.  Przegl. Geol.  46,  1,  62–66  (in  Polish  with 

 English summary).

Tokarski A.K., Świerczewska A., Zuchiewicz W., Starek D. &  Fodor L. 

2012: Quaternary exhumation of the Carpathians: a record from 

the Orava-Nowy Targ Intramontane Basin, Western Carpathians 

(Poland and Slovakia). Geol. Carpath. 63, 257–266.

Tokarski A.K., Márton E., Świerczewska A., Fheed A., Zasadni J. & 

Kukulak J. 2016: Neotectonic rotations in the Orava-Nowy Targ 

Intramontane  Basin  (Western  Carpathians):  An  integrated 

palaeo magnetic and fractured clasts study. Tectonophysics 685, 

35–43.

Vass D., Kováč M., Konečný V. & Lexa J. 1988: Molasse basins and 

volcanic activity in West Carpathian Neogene–its evolution and 

geodynamic character. Geol. Carpath. 39, 539–562.

von Rad U. 1970: Comparison between “magnetic” and sedimentary 

fabric in graded and cross-laminated sand layers, southern Cali-

fornia. Geol. Rundsch. 60, 1, 331–354.

Watycha L. 1971: Drillholes Czarny Dunajec IG-1 and Koniówka IG-1. 

Open file reportPolish Geol. Inst., Warsaw (in Polish).

Watycha L. 1976a: The Neogene of the Orawa-Nowy Targ Basin. Geol. 

Quarterly 20, 3, 575–585 (in Polish with English  summary).

Watycha L. 1976b: Detailed Geological Map of Poland 1:50,000. Sheet 

Czarny Dunajec (1048). Polish Geol. Inst., Warsaw (in Polish).

Watycha L. 1977a: Explanations to the Detailed Geological Map of 

Poland  1:50,000.  Sheet  Czarny  Dunajec  (1048).  Polish Geol. 

Inst., Warsaw, 1–102 (in Polish).

Watycha L. 1977b: Explanations to the Detailed Geological Map of 

Poland  1:50,000.  Sheet  Jabłonka  (1047).  Polish Geol. Inst.

 Warsaw, 1–72 (in Polish).

Watycha  L.  1977c:  Detailed  Geological  Map  of  Poland  1:50,000. 

Sheet Jabłonka (1047). Polish Geol. Inst., Warsaw (in Polish).

Wetzel A. & Einsele G. 1991: On the physical weathering of various 

mudrocks. Bulletin of the International Association of Enginee-

ring Geology 44, 89–100.

Wiewióra A.  & Wyrwicki  R.  1980:  Clay  minerals  of  the  Neogene 

 sediments in the Orava-Nowy Targ basin. Geol. Quarterly 24, 2, 

333–348 (in Polish with English summary).

Woźny  E.  1976:  Stratigraphy  of  the  Younger  Tertiary  in  the 

 Orawa- Nowy Targ Basin on the basis of fresh-water and conti-

nental macrofauna. Geol. Quarterly 20, 3, 589–595 (in Polish 

with English summary).

Zachos J., Pagani M., Sloan L., Thomas E. & Billups K. 2001: Trends, 

Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present. 

Science 292, 686–693.

Zuchiewicz W., Tokarski A. K., Jarosiński M. & Márton E. 2002: Late 

Miocene  to  present  day  structural  development  of  the  Polish 

 segment of the Outer Carpathians. EGU Stephen Mueller Spec. 

Publ. Series 3, 185–202.

background image

500

ŁOZIŃSKI, ZIÓŁKOWSKI and WYSOCKA

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 5, 479–500

Sample name

# of 

spec.

GPS

N 49°

GPS

E 19°

Lithofacies 
code

AMS facies

Bo1

25

.46883

.71867

CL/Fm

Fm-unc

Bv1

25

.41923

.56145

Fm/Fl/CL

Fl

Bv2

25

.42451

.57049

Fmm

Fm-unc

Bv3

25

.41946

.56247

CL/Fm

Fm

By1

25

.39662

.88565

Sh

-

By2

25

.39819

.88749

Fm/Sm

Fm

By3

25

.39758

.88610

CL/Sm

-

CD1

25

.37584

.81073

Fm,Sh

Fm

CD2_1

25

.37717

.81087

Fm,Sm

Fm

CD2_2

24

.37717

.81087

CL,Fm

Hst

CD3_1

24

.38307

.80904

Hs

S

CD3_2

23

.38307

.80904

Hs

Hst

CD3_3

11

.38307

.80904

Hs

Hst

CD4

25

.38675

.80839

Fm

Fm

CD5

25

.39218

.81226

Sh

S

Ce1

18

.38256

.72894

Fm,CL

Fm

Ce3

25

.38294

.73601

Fm,CL

-

Ce4

25

.38470

.74141

CL,Fm

Fm

Ce5

25

.38468

.74194

Fm

Fm-def

Ce6

25

.38216

.73372

Fm

Fm-def

Ce7

25

.38340

.73830

Fm

Fm-def

Ce8

25

.38521

.74612

Fm,CL

Hst

Ce9

25

.38280

.73607

Fl,Hs

Hsl-def

Ce10

25

.38280

.73607

CL/Fl

Fl

Ce11

25

.38387

.74011

Fm,Sm

Fm-def

Ch1d

11

.43898

.64153

Fm

Fm

Ch1g

14

.43898

.64153

Fmm

S

Ch2

25

.42245

.67547

Fm

Fm

Ch3

25

.42924

.65929

Fm/Sm

S

Ch4

25

.41773

.70163

Sm,CL

Fm-unc

Chk1

25

.44452

.67485

Fmm

Fm-unc

CO1

25

.45813

.65983

Fm/Sm

Fm

DW1

25

.41326

.88376

Fm,CCL

CCL

Je1

13

.36620

.75947

Sh

S

Je2

10

.36620

.75947

Sh

S

Je3

10

.36620

.75947

CL

Hsl

Je4

14

.36659

.75791

CL/Fm

Fm

Je5

25

.40444

.67208

Fm

Fm

Je6

25

.38550

.72012

Fm/Sm

Fm

Je7

25

.38795

.71724

Fm/Sm

Fm

Je8

25

.39075

.71085

Fm

Fm

Je9

25

.36646

.75752

CL

Fl

Je10

25

.37799

.73299

Fm/CL

Fm-def

Sample name

# of 

spec.

GPS

N 49°

GPS

E 19°

Lithofacies
code

AMS facies

JeQ1

25

.38313

.72669

Fm/Sm

Fm-unc

JeQ2

25

.38292

.73191

Fm/CL

Fm

JeQ3

25

.41092

.64495

Fm/Sm

Fm-unc

JeQ4

25

.40800

.66499

Sm/Fmm

S

JO1

25

.39997

.59163

Fm/Fl

Hsl

JO2

25

.40173

.59268

Sm/Fm

Fm

JO3

25

.41771

.59506

Fmc

Fm

JO4

25

.40431

.59484

Fm

Fm

JO5

25

.40431

.59484

Fm

Fm

JO6

25

.41076

.59050

Fl

Hsl

Ko1

10

.37320

.62711

CL

CLt-def

Ko2

25

.37324

.62712

CL

CLt-def

Koz1

25

.45038

.56984

Fm

Fm-unc

Krz1

25

.45337

.60597

CL

Fm-unc

Ku1

25

.45390

.67206

Fmm

Fm-unc

Li1

25

.46707

.64145

Sm

Fm

Li2

25

.47581

.63460

Fm/Sm

Fm

LM1

11

.48864

.65739

CCL,CL

CLt

LM2

25

.48842

.66577

Fm

Fm

Na1

25

.42027

.49771

Fm/CCL

Fm

OrCCL

25

.36638

.69957

CCL

CCL

OrCL

25

.36528

.70538

CL

CLt

OrCL_1

14

.36558

.70529

CL

Fl

OrCL2

25

.36638

.69957

CL

CLt

OrFl

25

.36542

.70542

Fl

Fl

OrFl2

25

.36560

.69844

Fl

Fl

OrFm

25

.36638

.69957

Fm

Fm

OrFm_3

9

.36575

.69759

Fm

Fm

OrFm_4

24

.36591

.69973

Fm

Fm

OrGmm

25

.36515

.70531

Gmm

-

OrHf_2

15

.36583

.70545

Hf

Fl

OrHs

24

.36560

.69844

Hs

Hsl

OrHs_3

13

.36575

.69759

Hs

Hsl

OrHs_5

23

.36576

.69949

Hs

Hst

OrSt

25

.36639

.70533

St

S

Tv1

25

.37539

.75807

Fm

Fm

Uh1

15

.37240

.63042

CL,Fm

Fm

UhQ2

25

.37235

.63242

Fmm

Fm

Us1

25

.38334

.57671

CL

CLt

Us2

25

.38351

.57823

Fm

Fm

Us3

25

.38434

.57971

CL,Fm

CLt-def

Wo1

25

.39956

.85846

Fm,CL

Fm-rot

Appendix

Dataset of all studied samples: