The low-temperature thermal history of northern Switzerland as revealed by fission track analysis and inverse thermal modelling

Abstract.

New zircon and apatite fission track (FT) data from four boreholes, which penetrate the Mesozoic and pre-Mesozoic sediments and crystalline basement of northern Switzerland, are presented. Inverse thermal modelling of the measured apatite FT parameters unravels the low-temperature (below ~120°C) thermal history of the crystalline basement of northern Switzerland. Zircon FT central and single-grain ages cluster around 250 Ma, thus maximum palaeotemperatures did not exceed ∼ 330°C after late-Variscan consolidation of the crystalline basement. Apatite FT central ages vary between 25 and 87 Ma. Confined mean track lengths range between 9.3 μm and 11.6 μm, suggesting substantial track annealing within all apatite samples. Modelled time-temperature paths offer a clear picture about the low-temperature thermal history of the crystalline basement of northern Switzerland: Cretaceous cooling is followed by an Eocene heating event and subsequent cooling to present-day temperatures. The Eocene heating episode is contemporaneous with the initial rifting stage of the nearby Upper Rhine Graben and the associated increasing volcanic activity. Crustal-scale faults of the Permo-Carboniferous Trough of northern Switzerland could have acted as major pathways for circulating hydrothermal fluids giving rise to the observed Middle to Late Eocene thermal event.

Zusammenfassung.

Neue Zirkon- und Apatit-Spaltspurdaten werden aus vier Bohrungen, welche die mesozoische und pre-mesozoische Sedimentbedeckung, sowie das oberste kristalline Grundgebirge der Nordschweiz durchteufen, vorgelegt. Inverse thermische Modellierung der gemessenen Apatit-Spaltspurparameter erlaubt, die Niedrigtemperaturgeschichte (unter ∼ 120°C) des kristallinen Grundgebirges der Nordschweiz zu enträtseln. Die Zirkon-Spaltspuralter (Zentralalter) und die Einzelkornalter zeigen eine Häufung um 250 Ma. Daraus folgt, dass die maximalen Paläotemperaturen nach der spätvariszischen Konsolidierung des Kristallins ∼ 330°C nicht mehr überschritten haben. Apatit-Spaltspuralter (Zentralalter) variieren zwischen 25 und 87 Ma. Die mittleren Spaltspurlängen reichen von 9,3 μm bis 11,6 μm und weisen auf eine substantielle Ausheilung in den Apatiten hin. Die modellierten Zeit-Temperatur-Pfade bieten ein klares Bild der Niedrigtemperaturgeschichte des kristallinen Grundgebirges in der Nordschweiz: Einer kretazischen Abkühlung folgt ein eozänes Wärmeereignis und anschliessend eine Abkühlung zur heutigen Temperaturverteilung. Der eozäne Wärmepuls ist zeitgleich mit der initialen Riftingphase des nahegelegenen Oberrheingrabens und der damit verbundenen erhöhten vulkanischen Aktivität. Zum Nordschweizer Permokarbontrog-System gehörige Störungen im Krustenmassstab könnten als Fliesswege für zirkulierende Fluide gedient haben, die zum beobachteten mittel- bis späteozänen thermischen Ereignis führten.