Magnetotellurische Untersuchung der kontinentalen Kollisionszone im Pamir und Tian Shan, Zentralasien

Abstract

Die physikalischen Eigenschaften und die mit diesen verbundene Dynamik von Gesteinen in unterschiedlichen Tiefen der Erdkruste während eines kontinentalen Kollisionsprozesses sind trotz erheblicher Forschungsanstrengungen oft kaum bekannt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Interpretation der Verteilung von elektrischer Leitfähigkeit in der Erdkruste einer der tektonisch am wenigsten verstandenen Schlüsselregionen intrakontinentaler lithosphärischer Geodynamik: Pamir und Tian Shan an der nordwestlichen Spitze der Indien-Asien-Kollisionszone. Zur Bestimmung der Leitfähigkeitsverteilung wurden magnetotellurische Daten entlang eines 350 km langen, etwa in Nord-Süd-Richtung verlaufenden Profils an insgesamt 178 Stationen aufgenommen. Das Messgebiet erstreckt sich über das Pamir-Plateau im Südosten Tadschikistans, den zentralen und nördlichen Pamir, das Alai-Tal und die südwestlichen Tian-Shan-Ketten in das kirgisische Ferghana-Becken. Eines der bemerkenswertesten Resultate der durchgeführten 2D- und 3D-Inversionen magnetotellurischer Daten ist eine ausgedehnte Zone stark erhöhter Leitfähigkeit ab einer Tiefe von 10-15 km unterhalb des Pamir- Plateaus. Der spezifische Widerstand in diesem Gebiet liegt z. T. unterhalb von 1 Ohm-Meter. Unter Einbeziehung der Ergebnisse anderer geophysikalischer Studien interpretiere ich diese Zone als Ansammlung von teilweise geschmolzenen felsischen Gesteinen in mittlerer und möglicherweise unterer Kruste, mit einem Schmelzanteil zwischen 3 und 17 %. Damit befinden sich große Gebiete der mittleren Kruste in einem sehr viskosen Zustand. Dies kann sowohl die Flachheit des Pamir-Plateaus als auch die gravitationsbedingte Extension der oberen Kruste in Randbereichen der Hochebene erklären, als auch die Möglichkeit von lateralen Fließbewegungen viskosen Materials im Zuge von krustaler Verkürzung ("crustal flow") erzeugen. Weiter nördlich bildet das kompakte, wenig verwitterte metamorphe Material der Muskol-Shatput-Dome des Zentralpamir eine Zone stark erhöhter Widerstände, deren Flanken möglicherweise Migrationskanäle für aufsteigende Tiefenfluide bilden. Solche Fluide können als Folge von Metamorphosereaktionen bei der südgerichteten Subduktion von krustalen Gesteinen unter den Pamir entstehen. Mehrere Zonen erhöhter Leitfähigkeit in Zentral- und Südpamir könnten mit der Migration und Akkumulation solcher Fluide zusammenhängen. Alle Suturzonen des Pamir und südlichen Tian Shan treten als Gebiete erhöhter Leitfähigkeit in oberer und mittlerer Kruste in Erscheinung. Sie bilden als z. T. reaktivierte krustale Schwächezonen Migrationspfade für Tiefenfluide und erlauben Oberflächenwasser das Vordringen in große Tiefen. So erscheint auch die obere Kruste des Alai- Tals als ein Bereich erhöhter Leitfähigkeit, der als Folge des propagierenden Pamir in hohem Maße von fluidgesättigten Rissen und Störungszonen durchzogen ist. Die Rushan-Psart-Zone als Grenze zwischen zentralem und südlichem Pamir trennt gleichzeitig Gebiete mit heißer und kalter Kruste und damit unterschiedlichen Verformungsmechanismen voneinander.

Many geodynamic processes governing intra-continental collisional orogeny are still unexplained and controversial. A key question is related to the state and dynamic behaviour of the lithosphere at different crustal levels while continental collision progresses. The Pamir-Tian Shan region at the north- western promontory of the India-Asia collision zone may be the best location to study such lithospheric deformation processes in situ. This work presents the crustal resistivity structure of the Pamir and Southern Tian Shan orogenic belts and their interpretation. Therefore magnetotelluric data were recorded at 178 sites along a roughly north-south trending, 350 km long corridor from the Pamir Plateau in southern Tajikistan across the Pamir frontal ranges, the Alai Valley and the south-western Tian Shan to the Kyrgyz part of the Fergana Basin. One of the most intriguing features of the 2D and 3D inversion results is a laterally extended zone of high electrical conductivity below the Pamir Plateau, with resistivity below 1 ohm-meter, starting at a depth of approx. 10-15 km. Considering the results of other geophysical investigations, the high conductivity can be explained with the presence of partially molten felsic rocks at middle to lower crustal levels, assuming a melt ratio between 3 and 17 %. This would cause most of the middle crust to behave fluid-like and in turn explain the flatness of the Pamir Plateau, facilitate the gravitational collapse of the south-western margin of the Pamir Plateau and suggest crustal shortening driven by lateral flow of viscous mid-crustal material. Further north, the compact metamorphic rocks of the Muskol-Shatput Domes of the Central Pamir appear as a highly resistive structure, whereat its edges might bear pathways for rising magmatic and metamorphic fluids. Several zones of high conductivity in the middle and lower crust of Central and Northern Pamir likely record fluid release due to metamorphism associated with south-dipping active continental subduction of crustal material. All suture zones appear as electrically conductive in the upper and middle crust of the Pamir and Tian Shan. Sutures are zones of lithospheric weakness, which are prone to tectonic re-activation and facilitate fluid migration. The basin of the Alai Valley - sandwiched between the Pamir and Tian Shan - exhibits a generally conductive upper crust that bifurcates into two conductors at depth. One of them connects to the active Main Pamir Thrust, which is absorbing most of today's convergence between the Pamir and the Tian Shan. The Rushan-Pshart- Zone, which separates Central and Northern Pamir, likely separate hot, partially molten and ductile middle crust in the south from colder and less mobile crust in the north, which is influenced by metamorphic fluid migration from the material subducted underneath the Northern and Central Pamir.