Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta Ústav petrologie a strukturní geologie

Transkript

1 Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta Ústav petrologie a strukturní geologie Charles University in Prague, Faculty of Science Institute of Petrology and Structural Geology Doktorský studijní program: Geologie Ph.D. study program: Geology Autoreferát disertační práce Summary of the Ph.D. Thesis Křehká tektonika v SV části Českého Masívu ve vztahu k recentním pohybům indikovaným GPS měřením Brittle tectonics in the NE Bohemian Massif as related to recent tectonic movements indicated by GPS measurements Mgr. Lucie Nováková Školitel/Supervisor: Prof. RNDr. František Hrouda, CSc. Školitel-konzultant/Supervisor-consultant: RNDr. Jiří Málek, PhD. Praha, 2013

2 2

3 Osnova/Outline Abstrakt... 4 Abstract... 5 Česká část autoreferátu disertační práce Úvod Cíle práce Použitá metodika Výsledky Závěry English part of the Ph.D. Thesis summary Introduction Aims of the study Applied methodology Results Conclusions Použitá literatura/references Profesionální životopis/curriculum vitae Seznam publikací / Selected publications

4 Abstrakt Pro severovýchodní část Českého masívu je charakterická řada zlomů ve směru SZ-JV. Sudetské okrajové zlomové pásmo (SMFZ) a Hronovsko-Poříčské zlomové pásmo (HPFZ) představují hlavní seismicky aktivní poruchy v oblasti. S cílem vytvořit robustní, geologické realitě odpovídající, model tektonické situace studované oblasti byl proveden terénní strukturně-geologický průzkum zaměřený na křehké porušení hornin. V průběhu průzkumu bylo na 116 lokalitách, na přirozených výchozech i v lomech, změřeno téměř 5000 zlomů a puklin. V zóně SMFZ jsou dvě základní skupiny zlomů orientovány ve směru S-J a Z-V. Tyto zlomy většinou strmě upadají pod úhlem Lineace nalezené na zlomech přitom obvykle směřují k JZ a Z. Pro jednotlivé typy zlomů byla provedena analýza četnosti orientací zlomových ploch. Zlomy byly pomocí paleonapěťové analýzy rozděleny do šesti různých tektonických fází, v nichž vznikaly nebo byly reaktivovány, a fáze byly seřazeny podle relativního stáří. V oblasti SMFZ byly identifikovány následující tektonické fáze (od nejmladší po nejstarší): strike-slip režim s maximální kompresí (σ 1 ) ve směru SSZ-JJV, kompresní režim s σ 1 ve směru ZSZ - VJV, dva následující extenzní režimy s minimální kompresí (σ 3 ) ve směru VSV- ZJZ (s lišícími se kvazi-vertikálními σ 1 ), strike-slip režim s maximální kompresí (σ 1 ) ve směru SSV-JJZ a další strike-slip režim s maximální kompresí (σ 1 ) tentokrát ve směru in SZ-JV. Zlomy uvnitř HPFZ jsou orientovány zejména ve směru SZ- JV. Pouze v menší míře se vyskytují i zlomy orientované SV-JZ. Zlomy jsou obvykle vertikální nebo subvertikální upadající pod úhlem Lineace na zlomových plochách směřují především k SV, J, JJZ a JZ. Paleonapěťová analýza indikovala v oblasti HPFZ tyto čtyři tektonické fáze (od nejmladší k nejstarší): kompresní režim s maximální kompresí σ 1 ve směru SV-JZ, další kompresní režim s maximální kompresí σ 1 ve směru ZSZ-VJV, strike-slip režim se σ 1 ve směru SZ-JV a další strike-slip režim s maximální kompresí σ 1 ve směru SSV- JJZ. Šest GPS stanic bylo použito k dlouhodobému monitoringu v okolí SMFZ (BISK, PETR LANS, VIDN, STAM a VRES), pět pro monitoring oblasti HPFZ (BEZD, MOKA, TURO, UPIC a ZOLE). Dlouhodobý GPS monitoring poskytl data pro výpočet horizontální i vertikální složky pohybů. Vyčíslení směrodatných odchylek pro jednotlivé GPS stanice zřetelně ukázalo, že přesnost stanovení polohy je u permanentních stanic proti kampaňovým až o dva řády vyšší. Pro zvýraznění lokálních pohybů byla v obou oblastech zavedena oprava o generelní trend pohybu. Použity byly tři různé varianty stanovení opravy: (1) oprava o hodnoty vyplývající z modelu NNR-NUVEL 1A, (2) aritmetický průměr pohybů stanic v oblasti a (3) vážený průměr pohybů stanic v oblasti. Relativní směr pohybu v horizontální rovině byl vyjádřen geografickým azimutem. Po zavedení opravy vykazují v oblasti SMFZ největší odchylku stanice VIDN v horizontálním směru (až 1.33 mm/rok) a PETR ve vertikálním směru (až 2.54 mm/rok). Obecně, v porovnání s celou oblastí okolí SMFZ, stanice BISK a PETR zaklesávají, zatímco stanice LANS, VIDN, STAM a VRES stoupají. V oblasti HPFZ byly po zavedení oprav největší pohyby zaznamenány na stanicích MOKA (v horizontální rovině až 2.18 mm/rok) a TURO (až 2.61 mm/rok ve vertikálním směru). Stanice BEZD, MOKA a TURO v porovnání s generelním trendem oblasti zaklesávají, zatímco stanice UPIC a ZOLE stoupají.výsledky paleonapěťové analýzy byly konfrontovány s aktuálními pohyby v okolí obou zlomových zón zaznamenanými GPS monitoringem. Ze srovnání strukturních a GPS dat byla stanovena aktuální aktivita a napěťové podmínky obou oblastí. SMFZ je tak v současné době sinistrální zlomovou zónou ve strike-slip režimu. HPFZ je dextrálně transpresní zóna v kompresním režimu. Nejmladší dokumentovaná tektonická fáze přitom v obou oblastech koresponduje s aktuálními pohyby podle GPS monitoringu. Provedené práce tak ukázaly komplementární povahu obou použitých metod. 4

5 Abstract North-eastern part of the Bohemian Massif is characterised by many NW-SE striking faults. The Sudetic Marginal Fault Zone (SMFZ) and Hronov-Poříří Fault Zone (HPFZ) represent the major seismoactive dislocations in this area. Field structural investigations, including fault-slip data collection were carried out on a number of natural outcrops and quarries with the aim of establishing a robust and field-constrained model for the local brittle structural evolution of the studied areas. Almost 5000 faults and fractures have been measured and studied in 116 localities. Two principle sets of faults within the SMFZ are oriented in the N-S and W-E directions. The faults are mainly dipping under The lineations found on the fault planes are mainly trending to the SW and W. The kinematic frequent analysis was performed due to the distribution of the fault types in the orientations. The faults were divided into the different tectonic phases based on their origin or reactivation and their relative age using the calculation of paleostress analysis. The paleostress analysis of the fault-slip data within the SMFZ resulted identification of six tectonic phases from the youngest to the oldest: strike-slip regime with maximum compression (σ 1 ) in the NNW-SSE direction, compressional regime with σ 1 in the WNW-ESE direction, extensional regime with subvertical σ 1, extensional regime with σ 3 in the ENE-WSW direction, strike-slip regime with σ 1 in the NNE-SSW direction, strike-slip regime with σ 1 in the NW-SE direction. The faults within the HPFZ are mostly oriented in NW-SE direction, nevertheless in minor they also occur in NE- SW direction. The faults are mainly vertical or subvertical dipping The lineations found on the fault planes are mainly trending to the NE, S, SSW and SW. The paleostress analysis of the fault-slip data within the HPFZ resulted in indentification of four tectonic phases from the youngest to the oldest: compressional regime with σ 1 in NE-SW direction, compressional regime with σ 1 in WNW-ESE direction, strike-slip regime with σ 1 in NW-SE direction, strike-slip regime with σ 1 in NNE-SSW direction. Six GPS stations (BISK, PETR, LANS, VIDN, STAM and VRES) were employed for long-term GPS monitoring in the SMFZ area. Five GPS stations (BEZD, MOKA, TURO, UPIC a ZOLE) monitored the HPFZ area. Both horizontal and vertical components of the movement were calculated from long-term GPS monitoring data. Standard errors calculated for individual stations pointed out the permanent GPS stations provide up to a hundred times more precise positioning than the campaign stations. To highlight the local component of station movements three various methods were applied to set the regional component. The highest local horizontal velocity within the SMFZ area was found for the GPS station VIDN (1.33 mm/y). The highest local vertical velocity within the SMFZ area was calculated for the GPS station PETR (2.54 mm/y) upwards. Generally, comparing to the whole area, stations BISK and PETR move downwards, while the stations LANS, VIDN, STAM and VRES move upwards. The highest local horizontal velocity within the HPFZ area was calculated for GPS station MOKA (2.18 mm/y). The highest local vertical velocity within the HPFZ area was calculated for GPS station TURO (2.61 mm/y) upwards. The stations BEZD, MOKA and TURO move downwards, while the stations UPIC and ZOLE move upwards. The standard deviations for both horizontal and vertical movements are much lower for permanent stations than for the campaign stations. The brittle tectonic data has been related to the recent tectonic movements indicated by the GPS measurements. Both structural and GPS data were compared and the actual activity and stress conditions of the SMFZ and HPFZ area were constructed. The SMFZ has been a sinistral fault zone with strike-slip regime recently. The HPFZ has been a dextral transpressive fault zone in compressional regime recently. In both studied areas, the youngest tectonic phase defined by the paleostress analysis corresponds to the actual movements found by the GPS monitoring. Thus the employed methods provided useful complementary results. 5

6 Česká část autoreferátu disertační práce 1. Úvod V geologické praxi bývá kombinace různých metod užitečným nástrojem poznání strukturního vývoje a aktuálních podmínek ve zkoumané oblasti. Ze zřejmých důvodů, výhodné je zeména použití metod poskytujících různý úhel pohledu na studovanou problematiku. Terénní studium křehkého porušení hornin poskytuje významné informace o charakteru honinového prostředí. V průběhu křehké deformace horninového prostředí vznikají tahové a/nebo střihové pukliny a zlomy. Během frakturace, pohyb po dané ploše má většinou tpický efekt na reaktivavi již existujících střižných fraktur. Pokud nastanou vhodné podmínky, takto porušené struktury mají tendenci opakovat frakturaci a dochází ke vzniku reaktivovaných fraktur. Typickým znakem pohybu na těchto plochách jsou kinematické indikátory. Na základ orientace fraktur a indikátorů pohybu je možné určit napěťové podmínky, během kterých studované fraktury vznikaly, případně bly reaktivovány. Pokud je na studované ploše více setů kinematických indikátorů, je možné rozdělit tektonické fáze při kterých vznikaly, nebo pokud je totožné určit dokonce relativní stáří těchto fází. Metoda separace tektonických fází a určování jeiich relativního stáří se nazývá paleostresová analýza. Za předpokladu, že se podaří určit nejmladší a recentní tektonickou fázi, je možné napěťové podmínky porovnat a konfrontovat s jinou metodou, např. dlouhodobým GPS monitoringem. GPS monitoring je metoda používaná pro určování přesné pozice při geodetických měřeních. Levné ruční GPS přijímače se staly velmi populární pro velké množství uživatelů s možností určení pozice, rychlosti a navigačních informací při jakýchkoli povětrnostních podmínkách. Při dlouhodobých observacích permanentní GPS stanice poskytují informace o pohybu litosférických desek, regionální i lokální geodynamice studované oblasti periodických variacích geocentrických souřadnic. 2. Cíle práce Hlavním cílem předkládané disertační práce je přispět novými poznatky do neúplného geologického obrazu severovýchodní části Českého Masívu. Geologické mapování, které bylo prováděno během 90.tých let 20. století, nicméně nezahrnovalo detailní strukturně-geologický a tektonický výzkum. V severovýchodní části Českého Masívu byly vybrány dvě paralelní, regionálně významné tektonické struktury. Sudetský okrajový zlom je široká aktivní zlomová zóna, která se vyskytuje na severovýchodní hranici Českého Masívu. Hronovsko-Poříčská porucha je seismicky aktivní zlomová zóna s dokumentovaným zemětřesením o magnitudu M4.7. Mapování křehkého porušení hornin v oblasti a na něm založená paleostresová analýza byla použita k popisu historie napěťových poměrů a určení jednotlivých fází vývoje studovaných geologických struktur. Data z dlouhobobého GPS monitoringu poskytují velmi přesnou pozici GPS stanice a umožňují odhadnout průměrné směry aktuálních pobybů geologických jednotek. Dalším cílem bylo otestovat možnost korelace dat výsledků paleostresové analýzy a dlouhodobého GPS monitoringu. Dvě metody z různých vědních oborů geologie a geodézie byly konfrontovány a porovnány. Interpretace dat obou metod poskytnula mezioborovou 6

7 studii napěťových podmínek studovaných zlomových zón. Korelace těchto dvou metod poskytnula komplexní informace o tektonické historii a aktuálních napěťových podmínkách studovaných oblastí.. 3. Použitá metodika Ve studované oblasti bylo provedeno terénní strukturně geologické mapování zaměřené na shromáždění representativního datového souboru umožňujícího vytvoření popisný model vývoje křehkého porušení. Za tímto účelem bylo v zájmové oblasti rekognoskováno velké množství přirozených i umělých výchozů a dokumentovány zlomové plochy. Na 116 lokalitách v širším okolí Sudetského okrajového zlomu a Hronovsko-poříčské poruchy bylo proměřeno téměř 5000 zlomů a puklin. Na zlomových plochách byly sledovány především kinematické indikátory, například akreční minerální stupně, rýhování nebo malé ostře ohraničené stupně (viz Dohlas, 1998). Pomocí kinematických indikátorů byl rovněž určen smysl pohybu po příslušné ploše. Kinematická analýza byla provedena odděleně pro čtyři základní typy zlomů násuny, poklesy, pravostranné a levostranné horizontální posuny. V některých případech byly na téže zlomové ploše indentikovány dvě nebo tři lineace různého směru. Takové zlomové plochy byly zjevně aktivní v průběhu dvou resp. tří různých tektonických fází. Tektonické fáze byly určeny na základě paleonapěťové analýzy. Separace fází z heterogenních kinematických dat byla provedena v programu T-Tecto 3.0 Professional (Žalohar, 2009). Zlomové plochy byly přiřazeny k tektonickým fázím, v jejichž průběhu byly aktivní (tedy vznikly nebo byly reaktivovány) pomocí Gaussovy metody. Relativní stáří jednotlivých fází bylo stanoveno porovnáním stáří překrývajících se lineací nalezených na téže zlomové ploše. Gaussova metoda je založena na inverzi kinematických dat, zahrnující rovněž identifikaci nejlépe odpovídajících tenzorů napětí a deformace (Žalohar a Vrabec, 2007). Platnost výsledků poskytnutých Gaussovou metodou byla testována aplikací grafické metody pravých klínů (Right Dihedra Metod, RDM) (Angelier and Mechler, 1977). Metoda vizualizace Gaussovy objektové funkce byla použita pro identifikaci nejpravděpodobnější orientace os maximálního a minimálního napětí pro různě orientované zlomové plochy v obecném napěťovém poli. Aktuální tektonické pohyby byly studovány prostřednictvím dlouhodobého GPS monitoringu. Data byla získána z GPS měření prováděným v rámci sítě GEONAS (Mantlík et al., 2005). Permanentní a kampaňové GPS stanice situované ve zkoumané oblasti umožnily popis současných pohybů v širším okolí SMF a HPF. Tři různé přístupy byly použity pro odstranění společné složky pohybu stanic, resp. pohybu Euroasijské tektonické desky. Aritmetický a vážený průměr pohybů jednotlivých GPS stanic byly použity pro stanovení společné složky pohybu. Pro zvýraznění lokálních pohybů v oblasti byla společná složka pohybu následně odečtena. Jako třetí varianta opravy byl jako společná složka pohybu odečtena hodnota pohybu Euroasijské desky podle modelu NNR- NUVEL 1A. Lokální pohyby (tj. získané relativní rychlosti a směry pohybu) ve zkoumaných oblastech získané všemi třemi popsanými opravami byly vzájemně porovnány. Je zřejmé, že takto dosažné hodnoty jsou ve skutečnosti relativní vztažené k použité hodnotě společné složky pohybu GPS stanic. 7

8 4. Výsledky V širším okolí Sudetského okrajového zlomu se vyskutují zlomy orientované ve dvou hlavních směrech, S-V a Z-V Sklon zlomů je převážně Obecně lze říci, že horizontální a subhorizontální zlomy se v oblasti prakticky nevyskytují. Lineace nalezené na zlomových plochách jsou především orientovány k SZ a k Z. Kinematická analýza byla provedena z důvodu zjišťování distribuce jednotlivých zlomových typů v různých orientacích. Strike-slipové zlomy (pravostranné a levostranné) jsou především orientovány S-J a Z-V. Naproti tomu, poklesové a násunové zlomy se vyskytují ve dvou kolmých směrech - SZ-JV a SV-JZ. Pukliny, nalezené v širším okolí Sudetského okrajového zlomu mají přednostní orientaci V-Z, nicméně se vyskytují ve všech směrech. Na základě paleostresové analýzy dat ze zlomových ploch v širším okolí Sudetského okrajového zlomu bylo separováno šest tektonických fází (od nejmladší k nejstarší): První a nejmladší fáze je charakteristická strike-slipovým režimem s maximální kompresí (σ 1 ) v SSZ-JJV směru a maximální extenzí (σ 3 ) v SZ-JV směru. Předpokládá se, že tato fáze je recentní, vzhledem k tomu, že žádné jiné mladší kinematické indikátory nebyly nalezeny. V současné době je Sudetský okrajový zlom sinistrální zlomovou zónou s maximální kompresí šikmo k hlavnímu zlomu. Druhá fáze byla charakteristická kompresním režimem. Maximální komprese (σ 1 ) byla orientována ZSZ-VSV směrem. Napěťové podmínky ukazují, že Sudetský okrajový zlom byl násunovou zlomovou zónou během této fáze. Třetí fáze byla charakteristická extenzním režimem. Maximální komprese (σ 1 ) byla orientována subvertikálně k hlavní zlomové ploše. Maximální extenze (σ 3 ) byla orientována VSV-ZJZ směrem. Během této fáze byl Sudetský okrajový zlom poklesem. Čtvrtá fáze byla charakteristická extenzním režimem. Maximální extenze (σ 3 ) byla orientována VSV-ZJZ směrem. Osa středního napětí (σ 2 ) byla orientována SSZ-JJV. Sudetský okrajový zlom byl během této fáze poklesem s extenzním režimem. Pátá fáze byla charakteristická strike-slipovým režimem. Maximální komprese (σ 1 ) byla orientována SSV-JJZ směrem, maximální extenze (σ 3 ) byla orientována ZSZ-VJV směrem. V této fázi byl Sudetský okrajový zlom pravostrannou zlomovou zónou. Šestá fáze byla charakteristická strike-slipovým režimem. Maximální komprese (σ 1 ) byla orientována SZ-JV směrem téměř paralelně s hlavní zlomovou zónou. Maximální extenze (σ 3 ) byla orientována SV-JZ směrem. Sudetský okrajový zlom byl během této fáze poklesem s levostrannou složkou. Zlomy v širším okolí Hronovsko-poříčské poruchy jsou orientovány především SZ-JV směrem, v menší míře se vyskytují také zlomy ve směru SV-JZ. Zlomy jsou obvykle vertikální až subvertikální se sklonem Lineace nalezené na zlomových plochách jsou především orientovány k SV, J, JJZ a JZ. Poklesy se vyskytují v SZ-JV, SV-JZ a Z-V směrech.násuny jsou potom orientovány ve směru SZ-JV. Pravostranné zlomy se vyskytují předším v S-J směru. Levostranné zlomy jsou orientovány ve směru SV-JZ a SZ-JV. Pukliny, 8

9 které byly studovány v širším okolí Hronovsko-poříčské poruchy mají přednostní orientaci SZ-JV. Na základě paleostresové analýzy dat ze zlomových ploch v širším okolí Hronovskopoříčské poruchy byly separovány čtyři tektonické fáze (od nejmladší po nejstarší): První a nejmladší fáze je charakteristická kompresním režimem. s maximální kompresí (σ 1 ) v SV-JZ směru kolmém k hlavní zlomové ploše. Ačkoli maximální extenze (σ 3 ) je vertikální, osa středního napětí (σ 2 ) je orientována v SZ-JV směru. Předpokládá se, že tato fáze je recentní, vzhledem k tomu, že žádné jiné mladší kinematické indikátory nebyly nalezeny. Tyto napěťové podmínky způsobily, že v současné době je Hronovsko-poříčská porucha transpresní zlomovou zónou s pravostrannou složkou. Druhá fáze byla charakteristická kompresním režimem. Maximální komprese (σ 1 ) byla orientována ZSZ-VSV směrem. Maximální extenze (σ 3 ) byla subvertikální. Během této fáze byl byla Hronovsko-poříčská porucha násunovou zlomovou zónou s kompresí orientovanou šikmo k hlavnímu zlomu. Třetí fáze byla charakteristická strike-slipovým režimem. Maximální komprese (σ 1 ) byla orientována SZ-JV směrem, maximální extenze (σ 3 ) byla orientována SV-JZ směrem. Hronovsko-poříčská porucha byla během této fáze levostranná zlomová zóna. Čtvrtá fáze byla charakteristická strike-slipovým režimem. Maximální komprese (σ 1 ) byla orientována SSV-JJZ směrem, maximální extenze (σ 3 ) byla orientována ZSZ-VJV směrem. Během této fáze byla Hronovsko-poříčská porucha pravostranná zlomová zóna. Nejnižší lokální horizontální rychlosti v širším okolí Sudetského okrajového zlomu byly spočítány pro GPS stanici BISK = 0.29 mm/r a VRES = 0.2 mm/r. Nejnižší lokální vertikální rychlosti v širším okolí Sudetského okrajového zlomu byly spočítány pro GPS stanici STAM = 0.04 mm/r a BISK = mm/r. Nejvyšší lokální horizontální rychlosti v širším okolí Sudetského okrajového zlomu byly spočítány pro GPS stanici VIDN = 1.33 mm/r. Nejvyšší lokální vertikální rychlosti v širším okolí Sudetského okrajového zlomu byly spočítány pro GPS stanici PETR = 2.54 mm/r. Obecně lze říci, že v rámci studované oblasti stanice BISK a PETR jsou vyzvihovány, zatímco stanice LANS, VIDN, STAM a VRES poklesávají. Nejnižší lokální horizontální rychlosti v širším okolí Hronovsko-poříčské poruchy byly spočítány pro GPS stanici BEZD = 0.17 mm/r a UPIC = 0.32 mm/r. Nejnižší lokální vertikální rychlosti v širším okolí Hronovsko-poříčské poruchy byly spočítány pro GPS stanici BEZD = 0.03 mm/r a UPIC = 0.09 mm/r. Nejvyšší lokální horizontální rychlosti v širším okolí Hronovsko-poříčské poruchy byly spočítány pro GPS stanici MOKA = 2.18 mm/r. Nejvyšší lokální vertikální rychlosti v širším okolí Hronovsko-poříčské poruchy byly spočítány pro GPS stanici TURO = 2.61 mm/r. Obecně lze říci, že v rámci studované oblasti stanice BEZD, MOKA a TURO jsou vyzvihovány, zatímco stanice UPIC a ZOLE poklesávají. Standardní odchylky měření pro horizontální i vertikální pohyby jsou výrazně nižší pro permanentní stanice než pro kampaňové stanice. Výsledky studia křehké tektoniky byly konfrontovány s recentními tektonickými pohyby indikovanými GPS měřeními. Strukturní i GPS data byla porovnána a na základě srovnání popsána aktuální aktivita a napěťové podmínky Sudetského okrajového zlomu a Hronovsko-poříčské poruchy. Tektonická situace širšího okolí Sudetského okrajového zlomu určená oběma metodami je vcelku komplikovaná a nesourodá. GPS stanice PETR a LANS, nejbližší zlomu, byly vybrány pro určení relativního pobybu přímo na zlomové zóně. 9

10 Relativní horizontální rychlost mezi těmito dvěma stanicemi je 0.7 mm/r. Relativní pobyb na zlomu mezi těmito dvěma stanicemi je přitom levostranný. Naproti tomu, tektonická situace širšího okolí Hronovsko-poříčské poruchy určená oběma metodami se zdá poměrně jednodušší. Stanice ZOLE a UPIC se pohybují proti Hronovsko-poříčské poruše, což demonstruje nasouvání severozápadní části přes jihovýchodní. Současně se stanice TURO a MOKA se pohybují podél zlomové zóny. Tento pohyb je nejspíše způsoben transpresními podmínkami s pravostranným pohybem na Hronovsko-poříčské poruše. 5. Závěry Výzkum demonstroval bohatou tektonickou aktivitu v severovýchodní části Českého Masívu. Variace asociované s různými tektonickými režimy poskytly důkazy o komplikované tektonické historii Sudetského okrajového zlomu i Hronovsko-poříčské poruchy. Sudetský okrajový zlom je v současné době sinistrální zlomovou zónou se strike-slipovým režimem. Hronovsko-poříčská porucha je v současné době transpresní zlomovou zónou s pravostrannou složkou. V obou studovaných oblastech nejmladší tektonická fáze definovaná paleostresovou analýzou odpovídá aktuálním pohybům nalezeným pomocí GPS monitoringu. Aplikace víceoborového přístupu se ukázala jako slibný nástroj pro rekonstrukci aktuálních napěťových podmínek a recentních tektonických pohybů komplexních zlomových zón a struktur. 10

11 English part of the Ph.D. Thesis summary 1. Introduction In geology, a combination of various methods is, in general, a useful tool for analysing development of the structures and actual conditions of a studied area. Obviously, the most promising are complementary methods from different disciplines providing different points of view. Brittle tectonics is a powerful tool for studying rock characteristics in field. During brittle conditions a rock matrix tends to a deformation of the structure and even to the fracturation. Results of a brittle deformation are tensional or shear fractures and faults. During fracturing, the sliding typically only has significant effects on the reactivation on existing shear fractures. These structures tend to repeat the fracturation when the conditions are favourable and reactivated fractures are developed. Kinematic indicators on fault planes are the sign of movements along these planes. On the base of orientation of fractures and indicators of the movements along the planes, it is possible to determine the stress conditions during which the studied fractures have been developed or reactivated. The multiple lineation systems allow to separate different tectonic phases and, where possible, even to determine the relative age of the phases. This method is called the paleostress analysis. With this approach, the youngest tectonic phase can be described and confronted with the actual movements and tectonic stress conditions determined by another method, e.g. long term GPS monitoring. GPS monitoring is a method used for precise geodetic position measurements. Low cost handheld GPS receivers have become increasingly popular to a big amount of users providing position, velocity and navigation information under all weather conditions. Moreover, continuous observations of permanent GPS stations provide information about changes of position due to lithosphere continental plate motions, regional and local geodynamics and periodical variations of geocentric coordinates. 2. Aims of the study The main aim of the thesis has been to contribute to the rare geological information about NE part of the Bohemian Massif. Geological mapping has been done during 90th years of the 20th century. However, no detailed structural geological and tectonic investigation had been done before. Two parallel, regionally important, tectonic structures were chosen in the NE part of the Bohemian Massif. The Sudetic Marginal Fault Zone (SMFZ) is a large active fault zone which makes northeast border of the Bohemian Massif. The Hronov Poříčí Fault Zone (HPFZ) is a seismically active structure with documented M4.7 earthquake. To achieve the set objectives, it was necessary to proceed paleostress analysis to determine different stages of the development of the studied geological structures. Data from long-term GPS monitoring provided precise location of the locality with the GPS station and allowed to estimate the mean directions of the geological unit movements. The other aim has been to test a possibility of correlation the data and the results of the paleostress analysis and long-term GPS monitoring. Two distinct methods from different science disciplines, geology and geodesy, were brought together to confront and compare. The interpretation of the data from both methods provided a multidisciplinary study of the studied fault zones. Correlation between these two methods provided complex information on 11

12 the tectonic history and the actual stress conditions of the studied areas. Moreover, complementary results have been expected. 3. Applied methodology Field structural investigations, including fault-slip data collection were carried out on a number of natural outcrops and quarries with the aim of establishing a robust and fieldconstrained model for the local brittle structural evolution of the studied areas. Almost 5000 faults and fractures have been measured and studied within the Sudetic Marginal Fault Zone and Hronov-Poříčí Fault Zone in 116 localities. The fault planes have been searched for kinematic indicators, such as mineral accretion steps, grooves or small steps with sharp borders (see Doblas, 1998). The kinematic indicators were used to determine the senses on the fault planes. Four basic types of faults reverse, normal, dextral, sinistral were described for kinematic frequency analysis. In some cases, the multiple lineation systems with two or three slickenlines were found. Thus the sets of faults could have been assigned to the different tectonic phases. The phases have been determined by the calculation of the paleostress analysis. For the separation of heterogeneous fault-slip data the software T-Tecto 3.0 Professional have been used (Žalohar, 2009). The faults were divided into the different tectonic phases according to their origin or reactivation and their relative age using the Gauss method. The Gauss method is based on fault-slip data inversion, which involves identifying best-fit stress and strain tensors (Žalohar and Vrabec, 2007). Validity of this analysis from the Gauss numerical method was tested against the graphical Right Dihedra Method (RDM) (Angelier and Mechler, 1977). The Visualisation of the Gauss object function (VGF) method has been calculated to find the most probable orientation of the maximum and minimum principle stress axes for several differently orientated faults that were active in the common stress field. Recent tectonic movements have been studied using long term GPS monitoring. Data has been acquired from the GPS measurements in the network GEONAS (Mantlík et al., 2005). The permanent and campaign GPS stations situated in the studied areas were chosen to describe the actual movements within the HPFZ and SMFZ. Three types of models have been used to subtract the influence of common movements of the stations or movements of the Euroasian tectonic plate. However, every model has a limitation for a local usage conditions. To test the variability and weight of the final velocities and the azimuths, the arithmetical and weighted average has been computed. An average movement of the studied areas of all individual station s movements has been deducted as well to highlight movements between the stations. To subtract the influence of movement of Euroasian tectonic plate, global motion model NNR- NUVEL 1A has been applied. Final velocities and its azimuths obtained by deduction of NNR- NUVEL 1A model have been compared with the final velocities and its azimuths obtained by deduction of arithmetical average of all individual station s movements and by deduction of weighted average of all individual station s movements. Thus, all movements described hereafter are, in fact, relative to the average movement of the areas. Finally, all results from brittle tectonic filed studies, paleostress analysis and GPS measurements have been compared and interpreted. The actual stress condition and actual movements within the SMFZ and HPFZ areas were displayed into ASTER Global Digital Elevation Models. 12

13 4. Results Two principle sets of faults within the SMFZ are oriented in the N-S and W-E directions. The faults are mainly dipping under In general, the horizontal or subhorizontal faults almost do not occur in the area. The lineations found on the fault planes are mainly trending to the SW and W. The kinematic frequent analysis was performed due to the distribution of the fault types in the orientations. Strike-slip faults (dextral and sinistral) are mainly oriented in N-S and W-E directions. On the other hand, normal and reverse faults occur in two perpendicular directions NW-SE and NE-SW. The fractures within the SMFZ have a predominant W-E orientation, nevertheless they occur in all directions. Paleostress analysis of the fault-slip data within the SMFZ resulted in separation of six tectonic phases: The first and the youngest phase is characterised by the strike-slip regime with maximum compression (σ 1 ) in the NNW-SSE direction and maximum extension (σ 3 ) in NW-SE direction. This phase is supposed to be the recent one, whereas there is no evidence of other younger kinematic indicators. The SMFZ has been a sinistral fault zone with the maximum compression oblique to the main direction of the fault during this phase. The second phase was characterised by the compressional tectonic regime. The maximum compression (σ 1 ) was oriented in WNW-ESE direction. These stress conditions resulted the SMF was a reverse fault zone during this phase. The third phase was characterised by the extensional stress conditions. The maximum compression (σ 1 ) was subvertical to the main fault zone. The maximum extension (σ 3 ) was oriented ENE-WSW almost perpendicular to the main fault zone. During the third phase the SMF was a normal fault. The fourth phase was characterised by the extensional stress conditions. The maximum extension (σ 3 ) was oriented ENE-WSW, the intermediate stress axis (σ 2 ) was oriented NNW-SSE. The SMF was a normal fault during this phase and extensional tectonic regime occurred. The fifth phase was characterised by the strike-slip regime. The maximum compression (σ 1 ) was oriented NNE-SSW, the maximum extension (σ 3 ) was oriented in WNW-ESE direction. These stress conditions resulted during this phase the SMF was a dextral fault. The sixth phase was characterised by the strike-slip regime. The maximum compression (σ 1 ) was oriented NW-SE almost parallel to the main fault. The maximum extension (σ 3 ) was oriented NE-SW almost perpendicular to the main fault. During this last phase, the SMF was a normal fault zone with sinistral component. The faults within the HPFZ are mostly oriented in NW-SE direction, nevertheless in minor they also occur NE-SW direction. The faults are mainly vertical or subvertical dipping The lineations found on the fault planes are mainly trending to the NE, S, SSW and SW. Normal faults have been found in NW-SE, NE-SW and W-E directions. The reverse faults are mainly oriented in NW-SE direction. Dextral faults are mainly oriented in N-S 13

14 direction. Two principle sets of sinistral faults were found in NW-SE and NE-SW directions. The fractures within the HPFZ are oriented mainly in NW-SE direction. Paleostress analysis of the fault-slip data within the HPFZ resulted in separation of four tectonic phases: The first and the youngest phase is characterised by compressional regime. The maximum compression (σ 1 ) is oriented in NE-SW direction perpendicular to the main fault zone. Although the maximum extension (σ 3 ) is vertical, the intermediate principle stress is oriented in NW-SE direction. This phase is supposed to be the recent one, whereas there is no evidence of other younger kinematic indicators. These conditions caused the HPFZ is under transpression with dextral component recently. The second phase was characterised by compression. The maximum compression (σ 1 ) was oriented WNW-ESE and the maximum extension (σ 3 ) was almost subvertical. During this phase, the HPFZ were thrust with the compression oriented obliquely to the main fault zone. The third phase was characterised by strike-slip regime. The maximum compression (σ 1 ) was oriented NW-SE, the maximum extension (σ 3 ) was oriented in NE-SW direction. These stress conditions resulted during this phase the HPFZ was a sinistral fault zone. The fourth phase was characterised by strike-slip regime. The maximum compression (σ 1 ) was oriented NNE-SSW, the maximum extension (σ 3 ) was oriented in WNW-ESE direction. During this tectonic phase the HPFZ was a dextral fault zone. The lowest local horizontal velocities within the SMFZ area were calculated for GPS stations BISK = 0.29 mm/y and VRES = 0.2 mm/y. The lowest local vertical velocities within the SMFZ area were calculated for GPS stations STAM = 0.04 mm/y upwards and BISK = mm/y downwards. The highest local horizontal velocity within the SMFZ area was calculated for GPS station VIDN = 1.33 mm/y. The highest local vertical velocity within the SMFZ area was calculated for GPS station PETR = 2.54 mm/y upwards. Generally, comparing to the whole area, stations BISK and PETR move downwards, while the stations LANS, VIDN, STAM and VRES move upwards. The lowest local horizontal velocities within the HPFZ area were calculated for GPS stations BEZD = 0.17 mm/y and UPIC = 0.32 mm/y. The lowest local vertical velocities within the HPFZ area were calculated for GPS stations BEZD = 0.03 mm/y upwards and UPIC = 0.09 mm/y upwards. The highest local horizontal velocity within the HPFZ area was calculated for GPS station MOKA = 2.18 mm/y. The highest local vertical velocity within the HPFZ area was calculated for GPS station TURO = 2.61 mm/y upwards. Generally, comparing to the whole area, stations BEZD, MOKA and TURO move downwards, while the stations UPIC and ZOLE move upwards. The standard deviations for both horizontal and vertical movements are much lower for permanent stations than for the campaign stations. The brittle tectonic data has been related to the recent tectonic movements indicated by the GPS measurements. Both structural and GPS data were compared and the actual activity and stress conditions of the SMFZ and HPFZ area were constructed. The tectonic situation within the SMFZ determined by various methods is rather complicated and disparate. To 14

15 determine the relative movement within the SMFZ, PETR and LANS stations have been chosen. The relative horizontal velocity between the stations is 0.7 mm/y. The relative movement between these two stations is left-lateral. The tectonic situation within the HPFZ determined by various methods is rather identical. The stations ZOLE and UPIC move towards the HPFZ, that causes the thrusting of the northwestern part over the southeastern part. In the same time, the stations TURO and MOKA go along the fault zone. This situation causes the transpressional conditions with dextral movements within the HPFZ. 5. Conclusions The research demonstrated abundant tectonic activity in the NE part of the Bohemian Massif. The variations associated with different tectonic regimes provide further evidence of the complicated behaviour of the SMFZ and HPFZ. The SMFZ has been a sinistral fault zone with strike-slip regime recently. The HPFZ has been a dextral transpressive fault zone in compressional regime recently. In both studied areas, the youngest tectonic phase defined by the paleostress analysis corresponds to the actual movements found by the GPS monitoring. The application of multidisciplinary approach proved to be a promising tool for reconstruction an actual stress conditions and recent tectonic movements of the complex fault zones and structures. 6. Použitá literatura/references Angelier, A., Mechler, P., Sur une méthode graphique de recherche de constraintes principales également utilisable et en séismologie: la méthode des dièdres droits. Bulletin Société Géologique de la France, 19, Mantlík, F., Schenk, V., Schenková, Z., Kottnauer, P., Grácová, M., Fučík, Z., GEONAS The GEOdynamic Network of the Academy of Sciences of the Czech Republic: Permanent GNSS observations and routine data processing in the IRS operational centre. EUREF Publication No. 14, Mitteilungen desbundesamtes für Kartographie and Geodäsie, 35, Frankfurt am Main, Žalohar, J., Vrabec, M., Paleostress analysis of heterogeneous fault-slip data: The Gauss method. Journal of Structural Geology 29, Žalohar, J., T-TECTO 3.0 Professional Integrated Software for Structural Analysis of Fault-Slip Data, Introductory Tutorial, pp

16 Profesionální životopis/curriculum vitae Osobní údaje Jméno: Lucie Nováková Datum narození: Adresa: Tupadly 84E, Liběchov, Mobil: Vzdělání 2006 současnost Postgraduální studium na Přírodovědecké fakultě UK, obor geologie se zaměřeními, téma disertační práce: Křehká tektonika v SV části Českého Masívu ve vztahu k recentním pohybům indikovaným GPS měřením Magisterské studium na Přírodovědecké fakultě UK, obor geochemie, téma diplomové práce: Distribuce rtuti v lesním ekosystému malého povodí lokalita Lesní potok Všeobecné vzdělání na Jiráskově gymnáziu v Náchodě. Profesionální praxe 2009 současnost Ústav struktury a mechaniky hornin AVČR, v.v.i., oddělení seismotektoniky, výzkum aktivní tektoniky, výzkum struktury a s ní související vlastnosti granitů v mikroměřítku Dieparmento di Science Geologische, Universita degli Studi Roma Tre, každoroční třítýdenní stáž, aktivní tektonika Apenin, výzkum kinematických indikátorů v mikroměřítku Ústav struktury a mechaniky hornin AVČR, v.v.i., oddělení geodynamiky, výzkum geodynamiky a aktivní tektoniky pomocí dlouhodobého GPS monitoringu a křehké tektoniky Ústav geologie AVČR, v.v.i., oddělení geodynamiky, laboratoř environmentální geologie a geochemie, laboratorní analýzy vody a sedimentů pro diplomovou práci Ústav struktury a mechaniky hornin AVČR, v.v.i., oddělení geodynamiky, technické zajištění průběhu kampaňových měření v rámci dlouhodobého GPS monitoringu. Řešené granty a výzkumné projekty 2011 současnost TAČR (TA ): Reverzibilní skladování energie v horninovém masivu, hlavní řešitel: Mgr. Michal Vaněček 2010 SÚJB - veřejná zakázka ve výzkumu a vývoji (1/2009): Paleoseimologické vyhodnocení průzkumu zlomových struktur v okolí JE Temelín, hlaví řešitel Mgr. Petr Špaček, PhD GAČR (IAA ): Model svrchní kůry oherského riftu a jeho okolí, hlavní řešitel: RNDr. Jiří Málek, PhD současnost GAČR (205/09/1244): Charakter seismicity v oblasti Hronovskopoříčského zlomu, hlavní řešitel: Mgr. Petr Kolínský, PhD současnost MPO (FR-TI1/367): Výzkum vlivu mezizrnné propustnosti granitů na bezpečnost hlubinného ukládání do geologických formací a vývoj metodiky a měřící aparatury, hlavní řešitel: Ing. Jiří Záruba, MBA 16

17 GAUK ( ): Komparativní studie směrů recentní tektonické aktivity podle strukturně-geologického výzkumu a dlouhodobého GPS monitoringu v oblasti Rychlebských hor, hlavní řešitel: Mgr. Lucie Nováková MŠMT (LC506): Recentní dynamika Země, hlavní řešitel: Prof. Ing. Jan Kostelecký, DrSc. Aktivní účast na konferencích a seminářích workshop projektu Výzkum vlivu mezizrnné propustnosti granitů na bezpečnost hlubinného ukládání do geologických formací a vývoj metodiky a měřící aparatury, Třešť, prezentace Nováková, L.: Akustické zobrazení vrtu a jeho použití ve strukturní geologii, prezentace Nováková, L.: Granity a jejich struktura v mikroměřítku Seminář Bariéry hlubinného úložiště radioaktivních odpadů 2012, Liblice, prezentace Nováková, L.: Výzkum vlivu mezizrnné propustnosti granitů na bezpečnost hlubinného ukládání do geologických formací a vývoj metodiky a měřící aparatury Struktura granitů v mikroměřítku th EUropean Congress on REgional GEOscientific Cartography and Information Systems (EUREGEO), Bologna, Itálie, poster: Nováková, L., Novák, P., Brož, M.: Spatial analysis of micrustructures in granites a case study workshop projektu Výzkum vlivu mezizrnné propustnosti granitů na bezpečnost hlubinného ukládání do geologických formací a vývoj metodiky a měřící aparatury, Kladská, prezentace Nováková, L., Brož, M., Weishauptová, Z., Jandečková, A., Schweistilová, J.: Rtuťová porozimetre při studiu struktury granitů v mikroměřítku workshop projektu Výzkum vlivu mezizrnné propustnosti granitů na bezpečnost hlubinného ukládání do geologických formací a vývoj metodiky a měřící aparatury, Mariánská, prezentace Nováková L., Brož M., Schveistilová J., Kasíková J., Vanerová Z., Breiter K., Hanák, P., Gvoždík L.: Struktura mikrotrhlin horninové matrice granitů - výsledky mikroskopování, parametry mikrotrhlin, propojenost sítě, využití dat pro matematické modelování Studentská geologická conference, Praha, prezentace Nováková, L.: Usage of a borehole acoustic image in structural geology th Czech-Polish workshop on Recent Geodynamics of the Sudeten and Adjacent Areas Třešť, prezentace Nováková, L., Sosna, K., Brož, M.: Stress-strain characteristics of the Krušné hory granite and its relationship to seismic velocities th Congress IAEG Geologically Active, Auckland, Nový Zéland, poster Nováková, L., Brož, M., Novák, P.: Comparative study of geophysical parameters and geochemical analysis in undisturbed granites Seminář mladých ÚSMH AV ČR v.v.i, Praha, prezentace (soutěžní-2. místo), prezentace Nováková, L.: Brittle tectonic study of the reactivated faults in the NE part of the Bohemian Massif st EAGE Annual Conference & Exhibition in Amsterdam 2009, Amsterodam, Nizozemí, prezentace Nováková, L.: Brittle tectonic investigations in the north-eastern part of the Bohemian Massif, Czech Republic, prezentace Nováková, L.: Comparative study of the directions of 17

18 recent tectonic activity according to structural geology research and long term GPS monitoring in the Rychleby Mts., Czech Republic, poster Nováková, L.: Photodocumentation of the Javorník area, Czech Republic th Meeting of the Central European Tectonic Studies Group (CETeG), 14 th Meeting of the Czech Tectonic Studies Group (ČTS), HUNTEK 2009, Pécs, Maďarsko, prezentace Nováková, L.: Brittle tectonic study of the reactivated faults in the NE part of the Bohemian Massif th Czech-Polish Workshop on Recent Geodynamics of the Sudety Mts. and Adjacent Areas, Náchod, prezentace Nováková, L.: Geological approach in research of reactivated fractures near Vápenná village Fault zones: Structure, Geomechanics and Fluid Flow, The Geological Society, Burlington House, Piccadilly, Londýn, poster Nováková, L.: Reactivation of brittle tectonic structures in the Sudetic Marginal Fault vicinity (in north east of Bohemian Massif) EGU General Assembly 2008, Vídeň, Rakousko, poster Nováková, L., Schenk, V.: Recent Tectonic Movements in the NE Part of the Bohemian Massif, Czech Republic, Indicated by the Brittle Tectonic Approach Seminář mladých ÚSMH AV ČR v.v.i, Praha (soutěžní - 2. místo), prezentace Nováková, L.: Study of the brittle tectonic kinematic indicators in the Vápenná limestone and granite quarries th Czech-Polish Workshop on Recent Geodynamics of the Sudety Mts. and Adjacent Areas, Klodszko, prezentace Nováková, L.: Brittle tectonics in the Vápenná quarries Studentská geologická conference, Brno, prezentace Nováková, L.: Studium tektonických pohybů v Českém masívu pomocí kinematických indikátorů křehké tektoniky Seminář Výzkumného centra dynamiky Země, zámek Třešť, prezentace Nováková, L., Schenk, V.: Křehká tektonika při studiu recentních tektonických pohybů. (Brittle tectonics in the recent tectonic movement studies). Jako spoluautorka jsem se podílela na tvorbě dalších 7 příspěvků prezentovaných na konferencích, kterých jsem se neúčastnila. Seznam publikací / Selected publications Publikace týkající se předložené disertační práce (publications concerning the proposed thesis): Nováková, L., Main Directions of the Fractures in the Limestone and Granite Quarries along the Sudetic Marginal fault near Vápenná village, NE Bohemian Massif, Czech Republic. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 5, 1, 149, Nováková, L., Schenk, V., Recent Tectonic Movements in the NE Part of the Bohemian Massif, Czech Republic, Indicated by the Brittle Tectonic Approach. Geophysical Research Abstracts, 10,

19 Nováková, L., Brittle tectonic investigations in the north-eastern part of the Bohemian Massif, Czech Republic. 71 st EAGE Annual Conference & Exhibition in Amsterdam Nováková, L., Detailed brittle tectonic analysis of the limestones in the quarries near Vápenná village. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 7, 2, 158, 1 8. Nováková, L., Hájek, P., Šťastný, M., Determining the relative age of fault activity through analyses of gouge mineralogy and geochemistry: a case study from Vápenná (Rychleby Mts), Czech Republic. International Journal of Geosciences, 1, 2, Nováková, L., The reactivation of brittle tectonic structures within the Sudetic Marginal Fault Zone (NE Bohemian Massif, Czech Republic) determined using a range of kinematic indicators. Journal of Geosciences. Under review. Nováková, L., Balek, J., Active tectonics and paleostress reconstruction of Hronov-Poříčí Fault Zone, NE part of the Czech Republic. Studia Geophysica et Geodetica. Under review. Další autorovy publikace (other author s publications): Nováková, L., Brož, M., Novák, P., Comparative study of geophysical parameters and geochemical analysis in undisturbed granites. In Williams et al. (eds.) Geologically Active Taylor & Francis Group, London, Skácelová, Z., Rapprich, V., Valenta, J., Hartvich, F., Šrámek, J., Radoň, M., Gaždová, R., Nováková, L., Pécskay, Z., Geophysical research on structure of partly eroded maar volcanoes: Miocene Hnojnice and Oligocene Rychnov volcanoes (northern Czech Republic). Journal of Geosciences, 55, 4, Nováková, L., Sosna, K., Brož, M., Najser, J., Novák P., Geomechanical parametres of the Podlesí granites and its relationship to seismic velocities. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 8, 3, 163, Nováková, L., Novák, P., Brož, M., Sosna, K., Pitrák, M., Kasíková, J., Rukavičková, L., Maňák, L., The results of borehole acoustic imaging from a granite in the Jihlava District, Czech Republic: implications for structural geological research. Journal of Geography and Geology, 4, 4, Nováková, L., Sosna K., Brož, M., Najser, J., Novák., P., The matrix porosity and related properties of a leucocratic granite from the Krudum Massif, West Bohemia. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 9, 4, 168,