kinematic and temporal evolution of the southern appalachian

304 Pages·2009·13.4 MB·English

KINEMATIC AND TEMPORAL EVOLUTION OF THE SOUTHERN 
APPALACHIAN FORELAND FOLD­THRUST BELT:  CONSTRAINTS 
FROM STRUCTURAL, MAGNETIC AND RADIOMETRIC ANALYSES 

by 

James Stephen Hnat 

A dissertation submitted in partial fulfillment 
of the requirements for the degree of 
Doctor of Philosophy 
(Geology) 
in The University of Michigan 
2009 

Doctoral Committee: 
  Professor Ben A. van der Pluijm, Co­Chair 
  Professor Rob Van der Voo, Co­Chair 
  Professor Roman Hryciw 
Associate Professor Todd Ehlers 
Assistant Professor Nathan Niemi
© James Stephen Hnat 
2009
To Amanda, with love and thanks
ii
ACKNOWLEDGEMENTS 

Many people provided me with support and friendship during my time here as a 
graduate student.  Firstly, I must thank Ben van der Pluijm for allowing me the 
opportunity to work with him, for his constant encouragement and for the insightful 
discussions we have had pertaining to geology, great television shows and life in 
general.  I am deeply grateful to Rob Van der Voo, whose patience, support and 
education over the years has helped me develop into a scientist and for serving as a 
role model.  I genuinely appreciate the significant effort of patiently reviewing this 
dissertation by my other committee members Roman Hryciw, Todd Ehlers and 
Nathan Niemi. 
  This dissertation would not have been remotely possible without the many 
geologists I worked with who have local geologic knowledge and who graciously 
helped me during my fieldwork.  Pete Lemiszki, from the Tennessee Geological 
Survey, generously provided me with assistance for all phases of my research in 
Tennessee.  The help of Ed Osborne (Alabama Geological Survey), Jon Goodwin and 
Bob Mumm (Illinois Geological Survey) and Ray Daniel and Ryan Pinkston 
(Kentucky Geological Survey) is also appreciated.  I am thankful for the many 
discussions with the modern titans of Appalachian geology, Bill Thomas and Bob 
Hatcher, both of whom provided help with many aspects of this dissertation.   
iii
Josep Parés is thanked for assistance in the paleomagnetic lab, along with the 
great conversations and friendship.  Ar‐Ar dating would not have been possible 
without Chris Hall.  I am thankful to the many graduate students and postdocs from 
the PaSTeL group over the years.  Eric Tohver, John Solum, Jeff Rahl, Phil 
McCausland, Belén Oliva‐Urcia, Philip Ong, Maodu Yan, Sam Haines, Sara Tourscher, 
Sasha Abrajevitch, Daming Wang, Matt Domeier, Anja Schleicher and Charlie Verdel 
all deserve mentioning as each provided me with both guidance and friendship.  I 
also appreciate the friendship of my fellow graduate students, Franek Hasiuk, Matt 
Manon, Sarah Rilling, Matt Densmore and Darius Dixon, who all gave me a reason to 
look forward to Thursdays.   
  I owe thanks to two of my previous educators, my 8th grade earth science 
teacher, Emory Keith, and my undergraduate advisor, Paul Ryberg, both of whom 
inspired me to pursue a career in the earth sciences.   
My family’s love and support over the years was essential to my development 
as a scientist.  My grandfather, perhaps unwittingly, planted the seeds for my love of 
science and discovery at an early age.  I will always appreciate the effort my parents 
made during my high school years to drive their nerdy kid to and from various 
science team practices.  Finally, I am eternally grateful to my wife, whose love, 
support and encouragement has provided me with the strength to trudge through 
this whole process. 

iv
TABLE OF CONTENTS 

DEDICATION ............................................................................................................................................... ii 
ACKNOWLEDGEMENTS ....................................................................................................................... iii 
LIST OF FIGURES ..................................................................................................................................... ix 
LIST OF TABLES ..................................................................................................................................... xiv 
LIST OF APPENDICES ........................................................................................................................... xv 
ABSTRACT ................................................................................................................................................ xvi 
CHAPTER I  INTRODUCTION ............................................................................................................. 1 
OROGENIC CURVATURE .................................................................................................................... 1 
AGE OF DEFORMATION ..................................................................................................................... 7 
OUTLINE OF DISSERTATION ........................................................................................................... 9 
REFERENCES ....................................................................................................................................... 13 
CHAPTER II  DIFFERNTIAL DISPLACEMENT AND ROTATION IN THRUST 
FRONTS:  A MAGNETIC, CALCITE TWINNING AND PALINSPASTIC STUDY OF 
THE JONES VALLEY THRUST, ALABAMA, US APPALACHIANS ..................................... 18 
ABSTRACT ............................................................................................................................................. 18 
INTRODUCTION .................................................................................................................................. 19 
STRUCTURAL SETTING ................................................................................................................... 21 
Appalachian foreland thrust belt ........................................................................................... 21 
Jones Valley thrust fault ............................................................................................................. 24 
Displacement along the Jones Valley thrust fault ........................................................... 25 
UNIT DESCRIPTION .......................................................................................................................... 31 
PALEOMAGNETISM AND MAGNETIC SUSCEPTIBILITY ................................................... 32 
Methods ............................................................................................................................................. 32 
Paleomagnetic results ................................................................................................................. 34 
Relative timing of magnetization ........................................................................................... 39 
AMS Results ..................................................................................................................................... 41 
CALCITE TWINNING ......................................................................................................................... 47 
Methods ............................................................................................................................................. 47 
Results ................................................................................................................................................ 49 
DISCUSSION .......................................................................................................................................... 49 
CONCLUSION ....................................................................................................................................... 55 
v
ACKNOWLEDGEMENTS .................................................................................................................. 57 
REFERENCES ....................................................................................................................................... 58 
CHAPTER III  REMAGNETIZATION IN THE TENNESSEE SALIENT, SOUTHERN 
APPALACHIANS, USA:  CONSTRAINTS ON THE TIMING OF DEFORMATION ....... 65 
ABSTRACT ............................................................................................................................................. 65 
INTRODUCTION .................................................................................................................................. 66 
TENNESSEE SALIENT ...................................................................................................................... 71 
Regional Structure ........................................................................................................................ 71 
Previous Paleomagnetic Work ................................................................................................ 74 
PALEOMAGNETIC ANALYSIS OF THE TENNESSEE SALIENT ........................................ 76 
Methods ............................................................................................................................................. 76 
Chickamauga Limestone Results ............................................................................................ 77 
Rome Formation Redbed Results .......................................................................................... 84 
Red Mountain Formation Redbed Results ......................................................................... 90 
DISCUSSION .......................................................................................................................................... 96 
Age and Relative Timing of Magnetization in the Tennessee Salient ..................... 96 
Assessment of the Nature of Curvature in the Tennessee Salient ......................... 100 
CONCLUSION ..................................................................................................................................... 102 
ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................................................ 104 
REFERENCES ..................................................................................................................................... 106 
CHAPTER IV  SIGNATURE OF INDENTER TECTONICS:  INSIGHTS FROM CALCITE 
TWINNING ANALYSIS IN THE TENNESSEE SALIENT OF THE SOUTHERN 
APPALACHIANS, USA ........................................................................................................................ 113 
ABSTRACT ........................................................................................................................................... 113 
INTRODUCTION ................................................................................................................................ 114 
GEOLOGIC SETTING ........................................................................................................................ 117 
Curvature of the Tennessee Salient .................................................................................... 117 
Regional Structure ...................................................................................................................... 120 
Stratigraphy ................................................................................................................................... 122 
CALCITE TWINNING ANALYSIS ................................................................................................ 123 
RESULTS .............................................................................................................................................. 128 
Thrust Belt Paleostress Directions ...................................................................................... 128 
Foreland Paleostress Directions ........................................................................................... 134 
Paleostress Magnitudes ............................................................................................................ 136 
DISCUSSION ........................................................................................................................................ 139 
vi
Nature of curvature in the Tennessee salient ................................................................. 139 
Mechanism of curvature .......................................................................................................... 139 
CONCLUSIONS ................................................................................................................................... 144 
ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................................................ 145 
REFERENCES ..................................................................................................................................... 146 
CHAPTER V  INFLUENCE OF DIAGENETIC GRADE ON ILLITE AGE ANALYIS:  A 
STUDY OF APPALACHIAN FAULT GOUGE AND FORELAND SHALES ...................... 152 
ABSTRACT ........................................................................................................................................... 152 
INTRODUCTION ................................................................................................................................ 153 
GEOLOGIC BACKGROUND ............................................................................................................ 158 
Appalachian Thrust Belt .......................................................................................................... 158 
Fluid Migration ............................................................................................................................. 160 
SAMPLING AND METHODS ......................................................................................................... 163 
Sample Collection ........................................................................................................................ 163 
Sample Preparation .................................................................................................................... 165 
Illite Characterization ............................................................................................................... 166 
40Ar/39Ar Dating .......................................................................................................................... 168 
RESULTS .............................................................................................................................................. 170 
Great Smoky Thrust ................................................................................................................... 170 
Saltville Thrust ............................................................................................................................. 172 
Copper Creek Thrust ................................................................................................................. 174 
St. Clair Thrust .............................................................................................................................. 174 
Midcontinent Shales................................................................................................................... 179 
DISCUSSION ........................................................................................................................................ 183 
Total Gas vs. Retention Ages .................................................................................................. 183 
Shale Diagenesis .......................................................................................................................... 191 
Appalachian Thrusts .................................................................................................................. 192 
CONCLUSIONS ................................................................................................................................... 193 
ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................................................ 194 
REFERENCES ..................................................................................................................................... 197 
CHAPTER VI  CONCLUSION ............................................................................................................ 203 
KINEMATIC EVOLUTION .............................................................................................................. 203 
TEMPORAL EVOLUTION ............................................................................................................... 206 
SUMMARY AND BROADER IMPLICATIONS .......................................................................... 209 
vii
REFERENCES ..................................................................................................................................... 211 
APPENDICES .......................................................................................................................................... 212 

viii
LIST OF FIGURES 

Figure 1.1:  Lithotectonic map of the US Appalachians, showing the main tectonic 
units and subdivision in this part of the Appalachian‐Caledonian‐Variscan Chain...…2  

Figure 1.2:  Plot of directional data (X) vs. strike (S) normalized to a reference 
direction (X ) and strike (S )……………………………………………..…………………………….……4 
o o

Figure 1.3:  Paleogeographic map of North America during Late Pennsylvanian time 
(~300 Ma) showing the Laurentia‐Gondwana collision at the pinnacle of the 
Alleghanian orogeny…………………………………………………………….………………………………6 

Figure 2.1: (a) Map of Alleghanian thrust belt in Alabama and associated features 
(Redrawn from Thomas and Bayona, 2002).  (b) Geologic map of study area based 
on Szabo et al. (1988)………………………………………………………………..……….……………….23 

Figure 2.2:  Cross‐section lines (modified from Thomas and Bayona, 2005) used to 
determine displacement variation………………………………………………………………………27 

Figure 2.3: Schematic illustration showing two scenarios for the development of a 
thrust sheet with the same displacement gradient……………………………………………... 30 

Figure 2.4: Representative thermal demagnetization plots of the Red Mountain 
Formation in geographic coordinates and associated intensity plots….…………………36 

Figure 2.5: (a and b) Equal area projections of site means in geographic (a) and tilt‐
corrected (b) coordinates………………….……………………………………………………………….40 

Figure 2.6: Lower hemisphere, equal area projections showing AMS tensor 
properties for each site………………………………………………………………………………………43 

Figure 2.7:  (a) Flinn diagram plotting L (K /K ) and F (K /K ).  Squares 
int max int min
(triangles) represent hanging wall (footwall) site means.  (b) Bulk susceptibility 
given in SI units measured at both room temperature (290K) and liquid nitrogen 
temperature (77K)…............................................................................................................................. 46 

Figure 2.8:  (a) Lower hemisphere, equal area projections showing tilt corrected 
site means including data from Hodych et al (1985)……………………………………………50
ix