Lithospheric structure and seismotectonic setting of the Hindu Kush, the Tajik-Afghan basin and the western Pamir from analysis of local- and teleseismic data

Abstract

The Pamir-Hindu Kush mountains at the northwestern margin of the India-Asia collision zone form a geodynamic peculiarity, both in the context of this collision and globally, as they host one of the most intense nests of intermediate depth seismicity not associated to oceanic subduction worldwide. Neither the deep lithospheric structure of Pamir-Hindu Kush, nor the physical processes causing this extraordinary seismicity are clear yet. Here, I use seismic data, mainly from the TIPTIMON network, which recorded during 2012 to 2014 in Tajikistan and Afghanistan, but also from other temporarily deployed, permanent and global seismic stations, aiming to untangle this seismotectonic puzzle. From a combined analysis of teleseismic tomography, local seismicity and earthquake source mechanisms, I suggest that intermediate depth seismicity beneath Pamir-Hindu Kush is associated to two different lithospheric slabs of Asian and Indian origin, respectively. As the whole mountain range, the Pamir slab is northward offset relative to the Hindu Kush and the earthquakes' stress regime indicates vertical tearing in its center. The Hindu Kush slab is in the process of breaking-off, testified by the down-dip extensional stress regime of the earthquakes and the thinning of the subducted mantle lithosphere at ~200 km depth, where seismicity is most intense. This contrasting behavior can be understood when considering the different properties of the three types of lithosphere involved: while the northward advancing cratonic Indian indenter forces delamination and rollback of the Asian lithosphere beneath the Pamir, India's thinned western continental margin subducts beneath the Hindu Kush. The tearing of these two Indian lithospheric domains can also be traced into the Asian crust on top, marked by a seismically active zone of distributed shear at the transition between Pamir and Hindu Kush. Including results from a local earthquake tomography (LET), the relocated largest events over the last 30 years and a strain rate analysis, I suggest that the Hindu Kush break-off propagates along a localized shear-zone, splitting the seismogenic part of the slab in a region involving crustal subduction (~60-160 km) and a deeper domain (~180-270 km), where seismicity occurs along this shear-zone and which hosts the largest and most frequent earthquakes. Whereas seismicity in the shallower domain might be enabled by different processes related to metamorphic reactions in the subducted crust, shear-instabilities on the intra-lithospheric detachment interface might trigger brittle-like failure in the deeper domain. The Tajik basin's lithosphere acts as hanging wall for the Hindu Kush subduction but subducts itself eastward beneath the Pamir at the same time. LET resolved a thick, high-velocity mantle lithosphere beneath the basin, which however includes a heterogeneous low velocity layer at ~120-140 km. I interpret this zone as midlithospheric discontinuity, which was recently discovered to be a widespread feature of cratonic lithosphere. As deep earthquakes are usually absent in such an environment, it is resolved here for the first time with LET. At crustal levels, deformation in the basin and its sedimentary cover is partitioned between seismically active strike- slip faults at the basin's northern and eastern rim and its interior, where earthquakes occur mainly along a horizontal sliding interface at ~10-12 km depth. Pressure axes and slip vectors of these events are parallel to the west-east oriented GPS-velocity vector field, suggesting that seismogenic deformation is controlled by the westward oriented gravitational collapse of the Pamir.

Die tektonische Struktur von Pamir und Hindukusch ist einzigartig; nicht nur relativ zum Rest des indisch-asiatischen Kollisionssystems, dem der Pamir und Hindukusch zugeordnet werden, sondern auch weltweit. Nirgends sonst treten so häufig mitteltiefe Erdbeben auf, die nicht in Verbindung mit einer ozeanischen Subduktionszone gebracht werden können. Dabei ist weder die Geometrie der Lithosphärenplatten unter diesen beiden Gebirgen noch der eigentliche Grund für das Auftreten dieser Beben vollends geklärt. In der folgenden Arbeit versuche ich mithilfe seismologischer Methoden Teile dieses tektonischen Puzzles zu lösen. Für meine Analyse verwende ich vor allem Daten des seismischen Netzwerkes TIPTIMON, welches zwischen 2012 und 2014 in Tadschikistan und Afghanistan installiert war. Basierend auf den Ergebnissen von teleseismischer Tomografie, Lokalisierung von Erdbeben und Bestimmung der jeweiligen Bruchmechanismen leite ich her, dass die Seismizität unter dem Pamir und dem Hindukusch zwei unterschiedlichen, gerade abtauchenden Lithosphärenplatten zugeordnet werden kann: der Indischen unter dem Hindukusch und der Asiatischen unter dem Pamir. Genau wie das Pamirgebirge ist auch die unterliegende Lithosphärenplatten nach Norden verschoben. Die Spannungsachsen der Erdbeben, die in dieser subduzierenden Lithosphärenplatte liegen, deuten ein vertikales Aufreißen der Platte an. Unter dem Hindukusch hingegen befindet sich die abtauchende Lithosphärenplatte im Stadium der finalen Ablösung. Dies drückt sich zum einen durch das vertikal nach unten orientierte Spannungsregime der Erdbeben Bruchmechanismen und zum anderen durch die Verdünnung der abtauchenden Platte in ~200 km Tiefe aus. Die seismische Aktivität ist genau an der Stelle dieser Verdünnung am ausgeprägtesten. Dieses unterschiedliche Verhalten des Mantels unter dem Pamir und Hindukusch lässt sich durch die Struktur der einzelnen Lithosphärenteile erklären, die in den Kollisionsprozess involviert sind: Während die indische kratonische Lithosphäre die Delamination und das Zurück-rollen der asiatischen Lithosphäre unter dem Pamir erzwingt, taucht westlich davon gleichzeitig Indiens ausgedünnter Kontinentalrand unter dem Hindukusch ab. Das damit einhergehende Aufreißen der indischen Lithosphäre im subkrustalen Bereich lässt sich auch an der Oberfläche in der stark deformierten Region zwischen Pamir und Hindukusch erkennen. Das Abreißen der Hindukusch-Platte kann mithilfe von Lokalbeben- Tomografie, der Reokalisierung der größten Hindukusch-Beben der letzten 30 Jahre und einer Spannungsfeldanalyse genauer beobachtet werden: Basierend auf Resultaten dieser Studien schlage ich vor, dass sich während des Abtrennens eine klar definierte Scherzone durch die Lithosphärenplatte ausbildet. Diese Scherzone trennt den oberen Teil der Mantelseismizität im Hindukusch (~60-160 km Tiefe) vom tieferen Teil (~80-270 km Tiefe). Während der obere Teil der Seismizität räumlich mit der mitgerissenen, ebenfalls abtauchenden kontinentalen Kruste zusammenfällt, tritt die tiefere Seismizität, mit mehr und größere Beben als im flachen Bereich, entlang der Scherzone auf. Die flachere Seismizität könnte im Zusammenhang mit metamorphischen Reaktionen, die in der abtauchenden Kruste ablaufen, stehen. Im tieferen Teil dagegen könnten Instabilitäten entlang der Scherzone Sprödbruch-ähnliche Deformation herbeiführen. Die Lithosphäre des tadschikischen Beckens fungiert als Puffer für die Hindukusch Subduktion und taucht gleichzeitig unter dem Pamir ab. Mit Hilfe von Lokalbeben-Tomografie zeige ich, dass sich die Lithosphäre durch hohe seismische Geschwindigkeiten auszeichnet und dass sie relativ dick ist. Sie wird jedoch in ca. 120-140 km Tiefe von einer heterogenen Niedergeschwindigkeitszone durchzogen, welche ich als Mittellithosphärische Diskontinuität (MLD) interpretiere, wie sie vermehrt in alter kratonischer Lithosphäre beobachtet wird. Da tiefe Erdbeben in Kratonen normalerweise eher unüblich sind, wurde die MLD bis jetzt noch nie mit Lokalbeben-Tomografie sichtbar gemacht. Die Deformation der Kruste des tadschikischen Beckens ist aufgeteilt zwischen seismisch aktiven Verwerfungen am nördlichen und östlichen Rand des Beckens und dem Becken selber. Im Inneren des Beckens häufen sich die Beben entlang einer Sedimentschicht in ca. 10-12 km Tiefe. Die Spannungsachsen und die Orientierung der Bruchflächen dieser Beben sind, genau wie das GPS- Vektorfeld, West-Ost orientiert, was durch den gravitatinsbedingten Kollaps des Pamirs in das tadschikische Becken erklären werden kann.