Imaging an Intra-continental Subduction in Central Asia with Teleseismic Receiver Functions

Abstract

Beneath the Pamir and Hindu Kush mountains an earthquake zone is observed in 80 to 300 km depth. It resembles in form and intensity the intermediate depth seismicity in subduction zones, here lithosphere is recycled in the Earth’s mantle. The fundamental tectonic concept of subduction is well established for convergent margins including an oceanic plate. The Pamir, however, is situated in an intra-continental setting and is formed during a continent-continent collision. This thesis aims to contribute to the investigation of the active tectonic process underlying the local occurrence of the seismicity in upper mantle depths. The field experiment for this study was performed in the framework of the multidisciplinary TIPAGE project from 2008 to 2010 and included large parts of the Pamir, the adjacent Tajik Depression and the Southern Tien Shan. The receiver function technique was applied to detect and locate seismic discontinuities in the subsurface in order to perform seismic imaging. The results clearly attest to an intra-continental subduction. Beneath the Pamir, the subducting plate is of Eurasian provenance. A southerly dipping 10 to 15 km thick low velocity zone could be resolved along a north- south profile in the eastern Pamir framing the earthquake zone in the upper mantle. This low velocity zone appears to be connected to the lower crust north of the seismic zone indicating subduction of crustal material in north to south direction. West of this north-south profile the zone of intermediate depth seismicity describes an arc changing its strike from east-west beneath the eastern Pamir to north-south beneath the western Pamir. Thereby the dipping direction of the slab changes from due south to due east. The geometry of this slab is confirmed by various receiver function cross sections. Towards western direction the subducted slab is connected to the crust of the Tajik Depression, indicating that the slab is the western extension of the Tajik Depression plate. Since the crustal thickness of the Tajik Depression is determined to at least 40 km, a continental composition for the crust of the Tajik Depression is inferred even though its underlying mantle lithosphere appears to be thin. The crustal thickness is mapped for the whole region. The resulting Moho map shows a 65 to 75 km thick crust in the Pamir and a 40 to 45 km thick crust in the surrounding basins. The arcuate subduction of the Tajik Depression plate and its eastern extension is reflected by characteristic Moho depth anomalies along the arc.

Unterhalb der Gebirgsformationen des Pamir und des Hindukush wird in einer Tiefe von 80 bis 300 km eine Erdbebenzone beobachtet. Diese gleicht in Form und Intensität den mitteltiefen seismisch aktiven Zonen von Subduktionszonen, bei denen Lithosphäre in den Erdmantel abtaucht. Das für die Plattentektonik grundlegende Konzept der Subduktion ist sicher bestätigt für ozeanische Lithosphäre. Der Pamir befindet sich hingegen in einer kontinentalen Kollisionszone. Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Untersuchung des aktiven tektonischen Prozesses dar, der für das Auftreten der mitteltiefen Erdbeben in dieser Region verantwortlich ist. Für diese Untersuchung wurde in den Jahren von 2008 bis 2010 im Rahmen des TIPAGE-Projekts eine Messkampagne in weiten Teilen des Pamir, des benachbarten Tadschikischen Beckens und des Südlichen Tien Shans durchgeführt. Die Methode der Receiver Funktionen, die Grenzflächen im Untergrund lokalisiert, wurde zur seismischen Bildgebung verwendet. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine innerkontinentale Subduktionszone vorliegt. Die unterhalb des Pamir subduzierte Platte ist eurasischer Herkunft. Entlang eines in Nord-Süd Richtung verlaufenden Messprofils konnte eine in südliche Richtung einfallende, 10 bis 15 km mächtige Zone verringerter seismischer Geschwindigkeit detektiert werden, die die Erdbebenzone im oberen Mantel umgibt. Diese Niedriggeschwindigkeitszone ist mit der unteren Kruste nördlich der seismisch aktiven Zone verbunden, was auf von Norden nach Süden subduziertes krustales Material schließen lässt. Westlich des Nord-Süd Messprofils beschreibt die Erdbebenzone einen Bogen, mit einer sich von Ost-West nach Nord-Süd ändernden Streichrichtung. Die Einfallsrichtung der Seismizitätszone ändert sich entlang des Bogens entsprechend von Süd nach Ost. Die Geometrie der subduzierenden Platte konnte mit der Methode der Receiver Funktionen entlang zahlreicher Querschnitte bestätigt werden. In westlicher Richtung ist die subduzierte Kruste mit dem adschikischen Becken verbunden. Dies lässt darauf schließen, dass es sich bei der subduzierten Platte um den östlichen Ausläufer des Tadschikischen Beckens handelt. Da die Krustenmächtigkeit im Tadschikischen Becken ausschließlich Werte von über 40 km zeigt, wird eine kontinentale Krustenzusammensetzung angenommen, auch wenn der lithosphärische Mantel niedrige Mächtigkeit aufweist. Die Krustenmächtigkeit wurde für die gesamte Region kartiert. Im Pamir wird eine Krustenmächtigkeit von 65 bis 75 km bestimmt, wobei in den umgebenden Becken Krustendicken von 40 bis 45 km auftreten. Die bogenförmige Subduktionszone spiegelt sich in der Krustenmächtigkeitsverteilung durch charakteristische Anomalien entlang des Subduktionsbogens wieder.