Southern Pindos foreland basin: Late Eocene – Early Oligocene stratigraphic evolution and geochemical constraints on the provenance and tectonic setting

Abstract

Pindos foreland basin in western Greece is a tectonic depression that lodges about 2500 meters of Upper Eocene to Lower Oligocene sub-marine fan deposits. This research presents a sedimentological, stratigraphic and paleocurrent analysis of the submarine fan deposits that occur in the central part of Pindos foreland basin, western Greece. Facies analysis suggests that the studied succession includes thirteen sedimentary facies and eleven facies and sub-facies associations. The environments of deposition comprise abyssal plain, outer fan, inner fan, and slope deposits. The stratigraphic analysis documents an upward transition from carbonates to abyssal plain, to outer and eventually to inner fan deposits suggesting progradation of the submarine fan system and progressive infilling of a deep-water sediment depocenter. Sediments suggest deposition close to the onset of Pindos orogen, when sedimentation was unable to exceed the accommodation space created by lithospheric flexure. Paleocurrent data from sole marks reveal two main directional flows. The NE-SW direction suggests that axial flows were dominant during the sediment deposition. The deposition in Pindos Foreland basin is dated to Eocene/Oligocene epoch. However, the exact stratigraphic position of the Eocene-Oligocene boundary is still uncertain. A qualitative analysis has been conducted on calcareous nannofossils and planktonic foraminifera, constraining the depositional age. Pindos Thrust is a crustal-scale structural element that formed Pindos foreland. Thus, Pindos foreland accommodates a syn-orogenic sedimentary succession with thick clastic deposits affected by compressional movements. The present research was based on detailed field campaign mapping and on standard structural techniques and aims to compile the main tectonic elements that shaped the Pindos foreland. The study area is part of the external Hellenides located on the Pindos foreland (SE Aetoloakarnania region). The activation of the NNW Gavrovo Thrust resulted on significant fault-related structures, such as the Varasova, Froxilia and Klokova anticlines. The existence of dextral strike-slip faults like Evinos Fault partitioned the westwards propagating thrusting deformation and acted as a barrier for the emergence of carbonate sediments at the southern part of the study area during the deformation. Based on the registration of bedding orientation, kinematics of meso and large-scale faults at different field outcrops, the relationship between sedimentation and orogenic processes in the area is defined providing new evidence of the evolution of the Pindos foreland basin.Furthermore, this study documents new petrographic and geochemical data for evaluating the composition, weathering condition, provenance, and tectonic setting of the central part of Pindos foreland basin. Conglomerate clast composition analysis suggests that the studied deposits contain mainly limestone clasts, followed by sandstone and chert clasts. It also suggests an additional low-grade metamorphic source, which is confirmed by the Cathodoluminence analysis. Microfacies analysis of the conglomerates clasts further restricts the source rocks that contributed to the basin sedimentation. An upward increase of lithic fragments abundances is documented and ascribed to the progressive unroofing of the Pindos orogenic source regions.This study links for the first time the stratigraphic evolution of the deep-sea fan deposits with the evolutionary stages and the geochemical constrains of the Pindos Foreland system. Multi-dimensional discrimination diagrams suggest a collisional setting and agree with an active continental margin. Geochemical and petrographic analysis suggests that the succession derived from sedimentary, felsic to intermediate igneous and low-grade metamorphic source rocks.

Η λεκάνη προχώρας της Πίνδου στη δυτική Ελλάδα είναι μια τεκτονική κοιλότητα που φιλοξενεί περίπου 2500 μέτρα αποθέσεων υποθαλάσσιων ριπιδίων ηλικίας από το Ανώτερο Ηώκαινο έως το Κάτω Ολιγόκαινο. Η παρούσα έρευνα περιλαμβάνει την ιζηματολογική, στρωματογραφική, πετρογραφική και γεωχημική ανάλυση των αποθέσεων των υποθαλάσσιων ριπιδίων που εμφανίζονται στο κεντρικό τμήμα της λεκάνης προχώρας της Πίνδου, στη δυτική Ελλάδα. Η ανάλυση φάσεων υποδηλώνει ότι η ακολουθία που μελετήθηκε περιλαμβάνει δεκατρείς ιζηματογενείς φάσεις και έντεκα περιβάλλοντα και υπό-περιβάλλοντα ιζηματογένεσης. Τα περιβάλλοντα ιζηματογένεσης περιλαμβάνουν αβυσσική πεδιάδα, εξωτερικό ριπίδιο, εσωτερικό ριπίδιο και αποθέσεις πλαγιάς.Η στρωματογραφική ανάλυση τεκμηριώνει μια ανοδική μετάβαση από την ανθρακική ακολουθία στην αβυσσαλέα πεδιάδα, στις εξωτερικές και τελικά στις εσωτερικές αποθέσεις ριπιδίων, υποδηλώνοντας την προέλαση του συστήματος υποθαλάσσιων ριπιδίων και την προοδευτική πλήρωση μιας λεκάνης ιζημάτων βαθέων υδάτων. Τα ιζήματα υποδηλώνουν εναπόθεση κοντά στην έναρξη του ορογενούς της Πίνδου, όταν η καθίζηση δεν μπόρεσε να υπερβεί τον χώρο διαμονής που δημιουργήθηκε από τη λιθοσφαιρική κάμψη. Τα παλαιορευματικά δεδομένα αποκαλύπτουν δύο κύριες κατευθυντικές ροές. Αυτές οι κατευθύνσεις (ΒΑ και ΝΔ) υποδηλώνουν ότι οι αξονικές ροές ήταν κυρίαρχες κατά την εναπόθεση των ιζημάτων. Η απόθεση στη λεκάνη προχώρας της Πίνδου χρονολογείται στην εποχή Ηώκαινου/Ολιγόκαινου. Ωστόσο, η ακριβής στρωματογραφική θέση του ορίου Ηώκαινου-Ολιγανίου είναι ακόμη αβέβαιη. Η ποιοτική ανάλυση έχει διεξήχθη σε ασβεστολιθικά νανοαπολιθώματα και πλαγκτονικά τρηματοφόρα, περιορίζει περαιτέρω την ηλικία εναπόθεσης.Η επώθηση της Πίνδου είναι ένα δομικό στοιχείο σε κλίμακα φλοιού που σχημάτισε το ορογενές της Πίνδου. Έτσι, η λεκάνη προχώρας της Πίνδου φιλοξενεί μια συν-ορογενεντική ιζηματογενή διαδοχή με παχιές κλαστικές αποθέσεις που επηρεάζονται από συμπιεστικές κινήσεις. Η παρούσα έρευνα, βασισμένη σε λεπτομερή χαρτογράφηση πεδίου και σε τυπικές δομικές τεχνικές ανασυνθέτει τα κύρια τεκτονικά στοιχεία που διαμόρφωσαν την περιοχή μελέτης. Η περιοχή μελέτης αποτελεί μέρος των εξωτερικών Ελληνίδων που βρίσκονται στα δυτικά της Πίνδου. Η ενεργοποίηση της ΒΒΔ επώθησης της Γαβρόβου οδήγησε σε σημαντικές δομές που σχετίζονται με ρήγματα, όπως τα αντίκλινα της Βαράσοβας, Αφροξυλιάς και Κλόκοβας. Η ύπαρξη δεξιόστροφων ρηγμάτων μετασχηματισμού όπως το ρήγμα του Εύηνου διαχώρισε την παραμόρφωση προς τα δυτικά και λειτούργησε ως φράγμα για την ανάδυση ανθρακικών ιζημάτων στο τμήμα βόρεια του Εύηνου, στην περιοχή μελέτης, κατά την παραμόρφωση.Επιπλέον, η παρούσα μελέτη τεκμηριώνει νέα πετρογραφικά και γεωχημικά δεδομένα, ερμηνεύοντας τη σύσταση, τις κλιματικές συνθήκες, την προέλευση και την τεκτονική του κεντρικού τμήματος της λεκάνης προχώρας της Πίνδου. Η ανάλυση της σύστασης των κροκάλων υποδηλώνει ότι τα κροκαλοπαγή που μελετήθηκαν περιέχουν κυρίως κλάστες ασβεστολιθικής, ψαμμιτικής και πυριτολιθικής προέλευσης. Προτείνει επίσης μια πρόσθετη πηγή από πετρώματα χαμηλού βαθμού μεταμόρφωσης, η οποία επιβεβαιώνεται από την ανάλυση της Καθοδοφωταύγειας. Η ανάλυση μικροφάσεων των κλαστών περιορίζει περαιτέρω τα μητρικά πετρώματα που συνέβαλαν στην ιζηματογένεση της λεκάνης. Μια ανοδική αύξηση της αφθονίας των λιθικών θραυσμάτων τεκμηριώνεται και αποδίδεται στην προοδευτική αποκάλυψη περιοχών που δρούσαν ως πηγή και ανήκουν στο ορογενές της Πίνδου. Αυτή η μελέτη συνδέει για πρώτη φορά τη στρωματογραφική εξέλιξη των υποθαλάσιων ριπιδίων βαθέων υδάτων με τα εξελικτικά στάδια και τους γεωχημικούς περιορισμούς του συστήματος της λεκάνης προχώρας της Πίνδου. Τα πολυδιάστατα διαγράμματα διάκρισης υποδηλώνουν ένα περιβάλλον σύγκρουσης και συμφωνούν με ένα ενεργό ηπειρωτικό περιθώριο. Η γεωχημική και η πετρογραφική ανάλυση υποδηλώνουν ότι η διαδοχή προέρχεται από ιζηματογενή, όξινα έως ενδιάμεσα πυριγενή και χαμηλής μεταμόρφωσης μητρικά πετρώματα, επιβεβαιώνοντας τα πετρογραφικά δεδομένα.