Geology and sandbox analogue modelling of the Karatau structural complex (Southern Urals)

¹ CY Cergy Paris Université, Sorbonne Université, CNRS-INSU, Institut des Sciences de la Terre de Paris, ISTeP, Cergy, France
² RN-BashNIPIneft, Ufa, Russia
³ Vernadsky State Geological Museum of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
⁴ LLC Research and Production Center "Geostra", Ufa, Russia

^* e-mail: anvar.farkhutdinov@cyu.fr

Received: 2 February 2024
Accepted: 10 December 2024

Abstract

The Karatau structural complex (KSC) is one of the most complicated geological structures of the Southern Urals. Its complexity is confirmed by the diversity of points of view on the origin: (1) the complex arose due to vertical movements; (2) the complex is thrusted as a result of horizontal compression; (3) the complex is a flexural bulge resulting from a load on the lithosphere. The KSC belongs to the external part of the shortened paleomargin mainly composed of Proterozoic rocks (1650–540 Ma) above an Archean basement. It appears on the map as a nearly square-shaped structure bounded by two strike-slip faults where the western deformation front of the Ural is apparently offset by 20 to 30 km to the northwest. We follow Kamaletdinov’s and Brown’s ideas, where a shortening is applied parallel to a former elongated extensional sedimentary basin perpendicular to the margin. This results in a farther propagation of the deformation front within the deep basin bounded by normal faults, which are reactivated as transfer strike-slip faults. The geodynamic setting thus corresponds to a rift-rift-rift triple junction reactivated during the orogenic shortening. We reviewed and compared the most recently available geological data and seismic lines. Subsequently, we constructed a series of new geological sections to refine the depth of the former rift sequences and the décollements both within and outside the KSC. Using this precise model of décollement depth, we use sandbox analogue modelling to better understand the kinematic and mechanical evolution of the KSC and test our hypotheses. Sandbox analogue modelling made it possible to recreate the general features of the KSC: approximative number of thrusts, their forward propagation to the west with respect to the front of deformation outside the KSC, and the different shortenings within and outside the KSC.

Résumé

Le complexe structural de Karatau (CSK) est l’une des structures géologiques les plus compliquées de l’Oural du Sud. Sa complexité se reflète dans la diversité des points de vue sur l’origine: (1) le complexe est né de mouvements verticaux ; (2) le complexe est un ensemble chevauchant l’avant-pays ; (3) le complexe résulte d’un bombement flexural en réponse à une charge sur la lithosphère. Le CSK appartient à la partie externe de la paléomarge raccourcie, principalement composée de roches Protérozoïques (1650–540 Ma) sur un socle Archéen. En carte, c’est une structure de forme presque carrée, bordée par deux failles décrochantes où le front de déformation de l’Oural est en apparence décalé de 20 à 30 km vers le nord-ouest. En suivant les idées de Kamaletdinov et Brown, nous proposons qu’un raccourcissement a été appliqué parallèlement à un ancien bassin sédimentaire allongé qui était lui-même orienté perpendiculairement à la marge, le résultat étant une propagation plus importante vers l’ouest du front de déformation dans le domaine du bassin profond dont les failles normales bordières ont été réactivées en failles de transfert décrochantes de part et d’autre. La situation paléo-géodynamique correspondait alors à la réactivation d’un point triple rift-rift-rift lors de l’orogénèse. En nous appuyant sur un maximum de données géologiques et sismiques sur le CSK, leur comparaison nous a permis de construire une série de coupes géologiques pour mieux contraindre les épaississements des séries de bassin et surtout des variations de profondeur des niveaux de décollement dans et en dehors du CSK. A partir de ce modèle précis de profondeur de décollement, nous utilisons une modélisation analogique (« boîte à sable ») pour mieux comprendre l’évolution cinématique et mécanique du complexe structural de Karatau. La modélisation analogique a permis de recréer les caractéristiques générales du complexe structural de Karatau : le nombre approximatif de chevauchements, leur avancée vers l’Ouest par rapport au front de déformation hors du CSK, les raccourcissements différents à l’intérieur et hors du CSK.