Zircon (U-Th)/He (zircon He) dating has become a widely used thermochronologic method in the geosciences. Practitioners have traditionally interpreted (U-Th)/He dates from zircons across a broad spectrum of chemical compositions with a single set of ⁴He diffusion kinetics derived from only a handful of crystals (Reiners et al., 2004). However, it has become increasingly clear that a "one-size-fits-all" approach to these kinetics is inadequate, leading to erroneous conclusions and incongruent data. This dissertation develops a more grain-specific approach by showing the fundamental role that intracrystalline radiation damage plays in determining the He diffusivity in a given zircon. I present three appendices that seek to quantify the radiation damage effect on He diffusion in zircon, explain how this effect manifests in zircon He dates, and show how to exploit such manifestations to better constrain sample thermal histories. Of particular importance, this dissertation represents the first comprehensive study to concentrate on the entire damage spectrum found in natural zircon and also the first to show that two different mechanisms affect He diffusion in zircon in different ways across this spectrum. In the first appendix, I and my fellow co-authors describe results from a series of step-heating experiments that show how the alpha dose of a given zircon, which we interpret to be correlated with accumulated radiation damage, influences its He diffusivity. From 1.2 × 10¹⁶ α/g to 1.4 × 10¹⁸ α/g, He diffusivity at a given temperature decreases by three orders of magnitude, but as alpha dose increases from ~2 × 10¹⁸ α/g to 8.2 × 10¹⁸ α/g, He diffusivity then increases by about nine orders of magnitude. We parameterize both the initial decrease and eventual increase in diffusivity with alpha dose with a function that describes these changes in terms of increasing abundance and size of intracrystalline radiation damage zones and resulting effects on the tortuosity of He migration pathways and dual-domain behavior. This is combined with another equation that describes damage annealing in zircon. The end result is a new model that constrains the coevolution of damage, He diffusivity, and He date in zircon as a function of its actinide content and thermal history. The second and third appendices use this new model to decipher zircon He datasets comprising many single grain dates that are correlated with effective uranium (eU, a proxy for the relative degree of radiation damage among grains from the same sample). The model is critical for proper interpretation of results from igneous settings that show date-eU correlations and were once considered spurious (appendix B). When applied to partially reset sedimentary rocks, other sources of date variability, such as damage and He inheritance, have to be considered as well (appendix C).

The Pacific-North American plate boundary is typified by transpression and convergence, yet the relationship between interplate deformation and long-term crustal shortening is not fully understood. The continuous belt of rugged topography that extends along the entire plate boundary is generally associated with oblique tectonic plate motion, strong interplate coupling, and terrane accretion, but relating plate boundary orogenesis to variations in plate geometry and behavior requires detailed case studies. The northern San Gabriel Mountains along the San Andreas fault and the Chugach-Kenai Mountains above the Aleutian subduction zone are located along highly tectonically active sections of the Pacific-North American plate boundary and have not been studied from the context of long-term landscape development. To determine whether mountain building along these sections of the plate boundary reflects recent, rapid exhumation as observed in bordering mountain belts, low-temperature thermochronometry and topographic analyses were applied to each area. In the northern San Gabriel Mountains, apatite (U-Th)/He ages are >10 Ma along narrow crystalline ridges topped by low-slope erosional surfaces located within ~5 km of the San Andreas fault zone. In the Chugach-Kenai Mountains, the youngest apatite (U-Th)/He ages (~5 Ma) are an order of magnitude older than those from the Yakutat collision zone to the east, despite the presence of a continuous swath of glaciated, rugged topography between the two areas. Exhumation rates inferred from these ages are <1 mm/yr, suggesting that there has been minimal recent denudation in the northern San Gabriel and Chugach-Kenai Mountains. The lack of evidence for recent mountain building in both of these case studies implies that interplate deformation is heterogeneous and that other factors (secondary structures, climate) besides plate kinematics and topographic character must be considered for understanding landscape development. / Ph. D.

The timing of motion on thrust faults in the Idaho-Wyoming-Utah (IWU) thrust belt comes from synorogenic sediments, apatite thermochronology and direct dating of fault rocks coupled with good geometrical constraints of the subsurface structure. The thermal history comes from the analyses of apatite thermochronology, thermal maturation of hydrocarbon source rocks and isotope analysis of fluid inclusions from syntectonic veins. New information from zircon fission track and zircon (U-Th)/He analysis provide constraints on the thermal evolution of the IWU thrust belt over geological time. These analyses demonstrate that the time-temperature pathway of the rocks sampled never reached the required conditions to reset the thermochronometers necessary to provide new timing constraints. Previous thermal constraints for maximum temperatures of IWU thrust belt rocks, place the lower limit at ~110°C and the upper limit at ~328°C. New zircon fission track results suggest an upper limit at ~180°C for million year time scales. ID-TIMS and LA-ICPMS of syntectonic calcite veins suggest that new techniques for dating times of active deformation are viable given that radiogenic isotope concentrations occur at sufficient levels within the vein material.

Die hier präsentierte Studie umfasst detaillierte Untersuchungen zur thermochronologischen, strukturellen sowie morphologischen Entwicklung der Östlichen und Westlichen Sierras Pampeanas in Argentinien, zwischen 26°S to 34°S südlicher Breite. Kapitel 3 diskutiert thermochronologische Daten (Apatit Spaltspuren, Zirkon und Apatit (U-Th)/He) sowie K-Ar Illit-Datierung an Störungsletten aus der Sierra de Comechingones sowie Ar-Ar Alter an Vulkaniten des vulkanischen Gürtels von San Luis (Östliche Sierras Pampeanas). K-Ar Illitalter belegen den Beginn spröder Deformation vor etwa 340 Ma. Thermochronologische Daten dokumentieren geringe Exhumationsraten seit dem späten Paläozoikum sowie eine maximale Exhumierung von etwa 2,3 km seit der späten Kreidezeit. Ar-Ar Datierungen an vulkanischen Gesteinen des San Luis Vulkanischen Gürtels ergeben Alter zwischen 7,54 Ma und 1,91 Ma. Dies belegt ein ostwärts gerichtetes Fortschreiten der magmatischen Front, welches mit einer Verflachung des Subduktionswinkels der Nazca Platte unter die Südamerikanische Platte vor etwa 11.2 Ma assoziiert wird. Darüber hinaus deuten die hier präsentierten thermochronologischen Daten an, dass der Anteil Andiner Exhumation und Hebung an der Gesamthebung und Exhumation der Sierras Pampeanas von geringer ist als gemeinhin angenommen. Kapitel 4 präsentiert Ergebnisse von Niedrig-Temperatur thermochronologischen Untersuchungen sowie K-Ar Alter retrograd gewachsener Illite aus spröden Störungszonen der Sierra de San Luis (Östliche Sierras Pampeanas). K-Ar Illitalter belegen eine lang andauernde Aktivität spröder Deformation welche unmittelbar nach dem Ende der Chanic Phase der Famatinischen Orogenese vor etwa 320 Ma einsetzte und zeitlich mit dem Übergang von duktilen zu spröden Deformationsmechanismen übereinstimmt. Jüngste Illitlater liegen zwischen 222-172 Ma. Diese können als Abkühlalter des Grundgebirges unter die zur Illitbildung benötigten Temperaturen interpretiert werden, jedoch nicht als Ende der spröden Deformation. Diese Interpretation wird von den Ergebnissen thermochronologischer Untersuchungen bestätigt. (U-Th)/He Datierungen an Apatiten und Zirkonen, sowie Apatit Spaltspuranalysen dokumentieren die Exhumation seit dem Perm, welche möglicherweise in Verbindung zur San Rafael Orogenese steht. Die ermittelten Abkühlalter belegen geringe Exhumationsraten sowie die damit einhergehende lange Verweildauer der Proben in den Temperaturbereichen der partial annealing bzw. parial retention zone von Apatit und Zirkon (PRZA, PRZZ und PAZA). Die finale Abkühlung auf Oberflächentemperaturen fand im Verlauf des Jura und der späten Kreide statt. Die Abkühlgeschichten der Sierra de San Luis und Sierra de Comechingones werden in einem Entwicklungsmodel zusammengefasst, welches signifikante Unterschiede in der thermischen Entwicklung beider Gebirgszüge offenbart. Kapitel 5 diskutiert die thermochronologische Entwicklung der Sierra de Pie de Palo, einem ausgeprägten Höhenzug in den Westlichen Sierras Pampeanas. Thermochronologische Untersuchungen zeigen das die strukturelle Entwicklung der Sierra Pie de Palo bereits im späten Paläozoikum einsetzte und von jeher durch tektonisch kontrollierte Erosion geprägt wurde, welche sich im Verlauf des Mesozoikums aufgrund extensionaler Tektonik zwar verlangsamte, jedoch andauerte. Die heutige Topographie des Gebirgszuges bildete sich im Zuge Andiner Kompression im Verlauf des Späten Mesozoikums und Paläogens durch die Hebung und damit einhergehender Denudation einzelner Grundgebirgsblöcke. Die mit der Hebung assoziierte Deformation schritt dabei von Ost nach West voran. Der Gesamtbetrag vertikaler Hebung seit dem frühen Paläozoikum kann auf ca. 3,7-4,3 km eingegrenzt werden, wobei die Gesamtexhumation etwa 1,7-2,2 km bei einer Exhumationsrate von 0,03-0,04 mm/a beträgt. Kapitel 6 stellt eine Methode zur Interpretation von K-Ar Illit Feinfraktionsaltern aus Störungsletten aus nichtsedimentären Gesteinen vor. Gemäß der vorgestellten Methode werden die ermittelten K Ar Illitalter in Kombination mit den Untersuchungsergebnissen unabhängiger Parameter, z.B. Illitkristallinität, Illit-Polytypie und Polytyp-Quantifizierung, Korngröße, Tonmineralogie, K-Ar Abkühlaltern des Nebengesteins sowie mit Ergebnissen thermochronologischer Untersuchungen (AHe, ZHe, AFT) evaluiert. Dieser Interpretationsansatz wird im Rahmen einer regionalen Studie innerhalb der Östlichen Sierras Pampeanas exemplarisch angewandt. Im Zuge dessen wurde eine große Zahl von Störungsletten systematisch beprobt und analysiert. Ermittelte K-Ar Illitalter decken die Zeitspanne vom Devon bis in die Kreidezeit und dokumentieren eine lang anhaltende Phase bruchhafter Deformation in der Region. Alter >320 Ma sind synchron mit einer Periode kompressiver intra-Platten Tektonik, während Permische und Triassische Alter mit einer Periode flacher Subduktion der Farallon Platte unter die Südamerikansche Platte assoziiert werden können. Darüber hinaus belegen die K-Ar Illitalter ein von Nord nach Süd Fortschreiten der spröden Deformation in den Sierras de San Luis und Comechingones. Die Integrität und Konsistenz der analysierten Daten belegt die Leistungsfähigkeit und tektonische Signifikanz der hier vorgestellten Methode, welche somit einen bedeutenden Beitrag zur Entschlüsselung komplexer Abkühlungs- und Deformationsereignisse bieten kann. Jedoch kann gezeigt werden, dass die Aussagekraft der hier vorgestellten Methode stark von der Abkühlgeschichte des Untersuchungsgebietes abhängt. Kapitel 7 präsentiert thermochronologische Daten aus den gesamten Sierras Pampeanas. Darüber hinaus werden alle verfügbaren thermochronologischen und geochronologischen Daten zur Abkühlgeschichte der Sierras Pampeanas diskutiert und in ein Abkühlmodell zusammengefasst. Die Daten belegen eine Abkühlung unter 200°C im Verlauf des Karbons. Im Verlauf des Perms und der Trias schritt die Abkühlung von West nach Ost fort, räumlich und zeitlich einhergehend mit dem fortschreiten eines flachen Subduktionsereignisses der Farallon-Platte unter die heutige Südamerikanische Platte. Mesozoische Riftereignisse und damit einhergehende Sedimentation und Versenkung zeigen nur lokal Einfluss auf die ermittelten Abkühlalter. Dies deutet darauf hin, dass die zum Verlust der Altersinformation der thermochronologischen Systeme notwenige Versenkungstiefen nur entlang der schmalen, räumlich eingeschränkten Kretazischen Riftbecken erreicht werden. Die finale Abkühlung auf Oberflächentemperaturen verlief diachron in den nördlichen und südlichen Sierras Pampeanas. So können im Norden Neogene Alter beobachtet werden, während die südlichen und westlichen Sierras Pampeanas spätestens seit der Kreide bzw. frühen Paleogens auf Oberflächentemperaturen abgekühlt waren. Letzteres deutet auf die Existenz einer positiven Topographie in den südlichen Sierras Pampeanas, bereits vor dem Einsetzen Cenozoischen Andinen Kompression und der im Neogenen einsetzenden flachen Subduktion der Nazca-Platte hin. Dies wiederum wiederspricht der allgemein akzeptierten Hypothese, dass die Exhumation und Hebung der Sierras Pampeanas allein mit der Neogenen flachen Subduktion der Nazca-Platte in Verbindung stehen. Im Gegensatz dazu wird vorgeschlagen, dass diese Neogenen Prozesse lediglich zu einer Überprägung und Akzentuierung des bereits existierenden Reliefs führten. Diese Vermutung kann durch die Berechnung auffallend niedriger Denudationsraten in den Östlichen und Westlichen Sierras Pampeanas von 0,010 0,024 km/a gestützt werden, welche auf stabile Bedingungen, zumindest seit der späten Kreidezeit, hindeuten.

The kinematics and architecture of orogenic systems may be heavily influenced by climate, but little research has focused on the long-term effects of glacial erosion on orogenesis. Low-temperature thermochronometry and subsidiary structural, earthquake relocation, and offshore seismic reflection data from the St. Elias orogen are the basis for a new architectural model and demonstrate an association between glacial denudation and orogenic evolution. These data show that exhumation and deformation within the St. Elias orogen are focused across a thin-skinned fold and thrust belt on the windward flank, whereas the leeward flank functions as a deformational backstop. A previously unrecognized structure beneath the Bagley ice field separates these domains with south-side-up motion. This structure is interpreted to be a backthrust, making the orogen doubly-vergent. Suggestive of accelerated fault motion in response to climate change, bedrock cooling rates within the hanging wall of the backthrust and across the entire subaerial wedge accelerated ~ten-fold coeval with the onset of intense glacial conditions. Within the orogenic wedge, the zone of highest Quaternary exhumation (5 km/myr (±25%)) is focused around a narrow zone where the glacial equilibrium line altitude (ELA) intersects mean topography. This zone of rapid exhumation, not present prior to the onset of intense glacial conditions, cuts across the structural trend of the orogen and is more narrowly focused than the zone of orographic precipitation. Augmented glacial erosion around glacial ELA also coincided with a regional shift in deformation away from prominent forethrusts including the North American-Yakutat terrane suture (Chugach St. Elias fault) and the seaward deformation front (Pamplona zone). Accelerated denudation across the subaerial wedge thus appears to have forced the redistribution of strain along the backthrust and a series of forethrusts that lie beneath the zone of highest glacial flux, which in turn are systematically truncated by the backthrust. In a cause and effect response, the expansion of glaciers therefore appears to have resulted in an orogen scale structural reorganization and a narrowing of the orogenic wedge to preserve topographic slope. The focusing of long-term erosion around glacial ELA and the structural response of the orogenic wedge to Cenozoic climate change have not previously been observed in a real-world orogenic system and imply a high degree of coupling between climate and tectonics in this glacially-dominated orogen. / Ph. D.

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung von “Fastebenen”, die im Weiteren einheitlich als “Peneplains” bezeichnet werden, sowie dem Zerfall dieses markanten geomorphologischen Erscheinungsbildes im südlichsten Teil des tibetischen Plateau dem sogenannten Lhasa Block. Im Zuge dieser Arbeit konnten neue Erkenntnisse über die Hebungsgeschichte und der Sedimentverteilung in diesem Untersuchungsgebiet gewonnen werden. Diese Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der geodynamischen Entwicklung Asiens bei, die bis heute viele Fragen aufwirft. Ende des 19. Jahrhunderts wurden Peneplains als metastabile geomorphologische Formen angesehen, die im Zuge großflächiger Erosion entstehen. Die Bezeichnung Peneplain und das dahinter stehende Konzept werden seitdem von der geomorphologischen Gemeinschaft jedoch kontrovers diskutiert. Bis heute gibt es keine standardisierte bzw. repräsentative Definition für das nicht zu übersehende landschaftsbildende Phänomen der Peneplains. Dementsprechend gibt es auch nur wenige Ansätze zu Modellierungen oder Berechnungen mit Geoinformationssystemen. Hier, in dieser Dissertation, werden idealisierte Peneplains als erhöhte, gleichmäßige und großflächige Ebenen mit abfallenden Hängen verstanden, auch wenn sich landschaftsbildende Peneplains oft gekippt darstellen und durch tektonische Prozesse gestört bzw. bereits durch fortschreitende Erosionsprozesse angegriffen sind. Gut erhaltene Peneplains sind speziell für das Gebiet um den höchstgelegenen See der Welt, dem Nam Co, im nördlichen Teil des Lhasa Blocks im Hochland von Tibet charakteristisch. Die Peneplains zerschneiden das dort vorkommende viel ältere und vorwiegend granitische Gestein sowie die angrenzenden Metasedimente. Zur Bestimmung der Abkühl- und Hebungsalter der Granite wurden geo- und thermochronologische Methoden wie Zirkon U-Pb, Zirkon (U-Th)/He, Apatit (U-Th)/He und Apatit-SpaltspurenDatierung angewendet. Neben der Hebungsrate konnte auch die Freilegung des granitischen Gesteines ermittelt werden. Mit der Methode zur Bestimmung des U-Pb-Zirkonalters konnten zwei Intrusionsgruppen, um 118 Ma und 85 Ma, festgestellt werden. Ebenso wurden vulkanische Aktivitäten nachgewiesen und auf einen Zeitraum zwischen 63 Ma und 58 Ma datiert. Thermische Modelle, aufbauend auf Zirkon- und Apatit-(U-Th)/He-Datierungen sowie auf ApatitSpaltspuren-Daten der untersuchten Granitoide, ergeben einen Hebungs- und Abkühlungszeitraum von 75 Ma bis 55 Ma mit einer Hebungsrate von 300 m/Ma, welche im Zeitfenster zwischen 55 Ma und 45 Ma stark abfällt auf 10 m/Ma. Die Auswertung der Messdaten unserer Kooperationspartner an der Universität Münster zu kosmogenen Nukliden zeigen sehr niedrigen Erosionsraten von 6-11 m/Ma und 11-16 m/Ma, in den letzten 10.000 Jahren die in den einzelnen Einzugsgebieten ermittelt wurden. Diese Daten zeugen von einer noch immer andauernden Periode der Stabilität und tragen zur Erhaltung der Peneplains bei. Während der anhaltenden Phase der Erosion und Einebnung sind vor ungefähr 45 Ma in der untersuchten Region zwischen 3 km und 6 km Gestein abgetragen und weg transportiert worden. Es ist naheliegend, dass das abgetragene Material als Sediment über das vorhandene Flusssystem fast vollständig in die heute bestehenden Ozenane transportiert wurde. Im Lhasa Block können nur verhältnismäßig wenig Sedimente aus dieser Zeit nachgewiesen werden. Alle bisherigen Untersuchungsergebnisse sowie die durchgeführte Sediment-Herkunftsanalyse untermauern die Theorie, dass die Peneplainbildung und ihre Erosionsprozesse in niedriger Höhe - höchstwahrscheinlich auf Meeresniveau - stattgefunden haben muss. Dieser Prozess wurde durch die Kollision des indischen Kontinents mit Asien gestoppt. Die resultierende Krustenverdickung führte zu einer Hebung der Landschaft mit den Peneplains, von Meeresniveau auf 5.000 bis 7.000 Höhenmeter. Die auf dem “das Dach der Welt” vorherrschenden idealen Klimabedingungen haben anschließend für die fast vollständige Erhaltung der Peneplains gesorgt. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit der Entwicklung einer robusten Methode Peneplains anhand digitale Höhenmodelle (DEM) zu berechnen bzw. zu kartieren. Frei zugängliche DEMs machen es möglich, Erdoberflächen repräsentativ mathematisch und statistisch zu analysieren und zu charakterisieren. Diese Analysemethode stellt eine ausgezeichnete Möglichkeit dar, die Peneplains mittels aussagekräftiger Algorithmen zu charakterisieren und digital zu kartieren. Um Peneplains algorithmisch von der Umgebung klar abgrenzen zu können, wurde ein komplett neuer Ansatz der Fuzzylogik angewandt. Als DEM-Basis wurde ein 90 arcsec-DEM der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) verwendet. Mithilfe eines Geoinformationssystems (GIS) wurden Algorithmen geschrieben, die vier verschiedene kritische Parameter zur Beschreibung von Peneplains berücksichtigen: (I) Gefälle, (II) Kurvigkeit, (III) Geländerauhigkeit und (IV) Relative Höhe. Um die Eignung der Methode zu prüfen, wurde auf Basis der SRTM-DEM weltweit kartiert und mit schon in der Literatur beschriebenen Peneplains verglichen. Die dabei erhaltenen Ergebnisse von den Appalachen, den Anden, dem Zentralmassif und Neuseeland bestätigen dass ein Einsatz des Modells, weltweit und unabhängig von der Höhenlage möglich ist.