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The tectonic evolution of the western Tien Shan

Die tektonische Entwicklung des westlichen Tien Shan

  • Intracontinental deformation usually is a result of tectonic forces associated with distant plate collisions. In general, the evolution of mountain ranges and basins in this environment is strongly controlled by the distribution and geometries of preexisting structures. Thus, predictive models usually fail in forecasting the deformation evolution in these kinds of settings. Detailed information on each range and basin-fill is vital to comprehend the evolution of intracontinental mountain belts and basins. In this dissertation, I have investigated the complex Cenozoic tectonic evolution of the western Tien Shan in Central Asia, which is one of the most active intracontinental ranges in the world. The work presented here combines a broad array of datasets, including thermo- and geochronology, paleoenvironmental interpretations, sediment provenance and subsurface interpretations in order to track changes in tectonic deformation. Most of the identified changes are connected and can be related to regional-scale processes that governed theIntracontinental deformation usually is a result of tectonic forces associated with distant plate collisions. In general, the evolution of mountain ranges and basins in this environment is strongly controlled by the distribution and geometries of preexisting structures. Thus, predictive models usually fail in forecasting the deformation evolution in these kinds of settings. Detailed information on each range and basin-fill is vital to comprehend the evolution of intracontinental mountain belts and basins. In this dissertation, I have investigated the complex Cenozoic tectonic evolution of the western Tien Shan in Central Asia, which is one of the most active intracontinental ranges in the world. The work presented here combines a broad array of datasets, including thermo- and geochronology, paleoenvironmental interpretations, sediment provenance and subsurface interpretations in order to track changes in tectonic deformation. Most of the identified changes are connected and can be related to regional-scale processes that governed the evolution of the western Tien Shan. The NW-SE trending Talas-Fergana fault (TFF) separates the western from the central Tien Shan and constitutes a world-class example of the influence of preexisting anisotropies on the subsequent structural development of a contractile orogen. While to the east most of ranges and basins have a sub-parallel E-W trend, the triangular-shaped Fergana basin forms a substantial feature in the western Tien Shan morphology with ranges on all three sides. In this thesis, I present 55 new thermochronologic ages (apatite fission track and zircon (U-Th)/He)) used to constrain exhumation histories of several mountain ranges in the western Tien Shan. At the same time, I analyzed the Fergana basin-fill looking for progressive changes in sedimentary paleoenvironments, source areas and stratal geometrical configurations in the subsurface and outcrops. The data presented in this thesis suggests that low cooling rates (<1°C Myr-1), calm depositional environments, and low depositional rates (<10 m Myr-1) were widely distributed across the western Tien Shan, describing a quiescent tectonic period throughout the Paleogene. Increased cooling rates in the late Cenozoic occurred diachronously and with variable magnitudes in different ranges. This rapid cooling stage is interpreted to represent increased erosion caused by active deformation and constrains the onset of Cenozoic deformation in the western Tien Shan. Time-temperature histories derived from the northwestern Tien Shan samples show an increase in cooling rates by ~25 Ma. This event is correlated with a synchronous pulse iv in the South Tien Shan. I suggest that strike-slip motion along the TFF commenced at the Oligo-Miocene boundary, facilitating CCW rotation of the Fergana basin and enabling exhumation of the linked horsetail splays. Higher depositional rates (~150 m Myr-1) in the Oligo-Miocene section (Massaget Fm.) of the Fergana basin suggest synchronous deformation in the surrounding ranges. The central Alai Range also experienced rapid cooling around this time, suggesting that the onset of intramontane basin fragmentation and isolation is coeval. These results point to deformation starting simultaneously in the late Oligocene – early Miocene in geographically distant mountain ranges. I suggest that these early uplifts are controlled by reactivated structures (like the TFF), which are probably the frictionally weakest and most-suitably oriented for accommodating and transferring N-S horizontal shortening along the western Tien Shan. Afterwards, in the late Miocene (~10 Ma), a period of renewed rapid cooling affected the Tien Shan and most mountain ranges and inherited structures started to actively deform. This episode is widely distributed and an increase in exhumation is interpreted in most of the sampled ranges. Moreover, the Pliocene section in the basin subsurface shows the higher depositional rates (>180 m Myr-1) and higher energy facies. The deformation and exhumation increase further contributed to intramontane basin partitioning. Overall, the interpretation is that the Tien Shan and much of Central Asia suffered a global increase in the rate of horizontal crustal shortening. Previously, stress transfer along the rigid Tarim block or Pamir indentation has been proposed to account for Himalayan hinterland deformation. However, the extent of the episode requires a different and broader geodynamic driver.show moreshow less
  • Intra-kontinentale Deformation der Erdkruste ist in der Regel das Ergebnis weitreichender tektonischer Kräfte, die durch Interaktion der Erdplatten an entfernten Kontinentalrändern entstehen. Eine entscheidende Rolle bei der Entwicklungsgeschichte der so entstehenden Gebirge, spielt das Vorhandensein und die Orientierung präexistierender Strukturen in der Kruste. Diese Komplexität lässt bekannte Vorhersagemodelle zur Bestimmung der Deformationsgeschichte häufig scheitern. Um die Deformationsprozesse intra-kontinentaler Gebiete dennoch besser zu verstehen, sind detaillierte Informationen über die Entstehungsgeschichte einzelner Bergketten und benachbarter Becken von essentieller Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der känozoischen Entwicklung tektonischer Prozesse in einer der aktivsten intra-kontinentalen Gebirgsketten der Welt, dem westlichen Tian Shan Gebirge in Zentralasien. Um räumliche und zeitliche Veränderungen der tektonischen Deformation besser nachvollziehen zu können, wird in dieser Arbeit ein breitesIntra-kontinentale Deformation der Erdkruste ist in der Regel das Ergebnis weitreichender tektonischer Kräfte, die durch Interaktion der Erdplatten an entfernten Kontinentalrändern entstehen. Eine entscheidende Rolle bei der Entwicklungsgeschichte der so entstehenden Gebirge, spielt das Vorhandensein und die Orientierung präexistierender Strukturen in der Kruste. Diese Komplexität lässt bekannte Vorhersagemodelle zur Bestimmung der Deformationsgeschichte häufig scheitern. Um die Deformationsprozesse intra-kontinentaler Gebiete dennoch besser zu verstehen, sind detaillierte Informationen über die Entstehungsgeschichte einzelner Bergketten und benachbarter Becken von essentieller Bedeutung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der känozoischen Entwicklung tektonischer Prozesse in einer der aktivsten intra-kontinentalen Gebirgsketten der Welt, dem westlichen Tian Shan Gebirge in Zentralasien. Um räumliche und zeitliche Veränderungen der tektonischen Deformation besser nachvollziehen zu können, wird in dieser Arbeit ein breites Spektrum an Datensätzen, aus Thermo- und Geochronologie, Paläoumwelt-Interpretation, Sediment-Provenienz und der Interpretationen seismischer Profile, kombiniert. Die somit identifizierten Prozesse deuten auf einen engen Bezug und können mit regional übergreifenden Prozessen in Beziehung gesetzt werden, die für die Entwicklung des westlichen Tian Shan Gebirges verantwortlich sind. Ein Paradebeispiel des Einflusses präexistierender Krustenanomalien auf die strukturelle Entstehung eines intra-kontinentalen Gebirges wie dem Tian Shan ist die NW-SE streichende Talas-Fergana-Störung, die den westlichen vom zentralen Tian Shan trennt. Während der östlich gelegene Zentralbereich des Orogens durch subparallele, E-W streichende Gebirgszüge und Becken charakterisiert ist, ist das markant dreieckförmige Fergana-Becken im westlichen Tian Shan von allen Seiten durch hohe Gebirgsrücken flankiert. Kern dieser Arbeit sind 55 neue thermochronologische Altersdatierungen (aus Apatit-Spaltspuren-Analyse und U-Th/He an Zirkonen), mit deren Hilfe die Exhumationsgeschichte mehrerer Gebirgszüge im westlichen Tian Shan untersucht wurde. Des Weiteren wurde die sedimentäre Beckenfüllung des benachbarten Fergana-Beckens auf sukzessive Veränderungen der Paläoumweltbedingungen, der Sediment-Provenienz und der geometrischen Konfiguration der Sedimente, am Aufschluss und im Untergrund untersucht. Ergebnisse dieser Arbeit zeigen niedrige Abkühlungs- (<1°C Myr-1) und Sedimentationsraten (<10 m Myr-1) im Gebiet des westlichen Tian Shan im Paläogen und deuten auf eine tektonisch ruhige und relativ stabile Region. Demgegenüber stehen erhöhte Abkühlungsraten im späten Känozoikum, die in den verschiedenen Gebirgsketten diachron und mit unterschiedlicher Intensität einsetzen. Diese zweite Phase deutet auf erhöhte Erosionsprozesse, hervorgerufen durch aktive Deformation, und markiert den Beginn der känozoischen Deformation im westlichen Tian Shan Gebirge. Temperaturgeschichten im Gebiet des NW Tian Shan zeigen erhöhte Abkühlungsraten vor ~25 Ma und korrelieren zeitlich mit ähnlichen Ereignissen im südlichen Tian Shan. Ich vermute, dass Horizontalverschiebungen entlang der Talas-Fergana-Störung an der Oligozän-Miozän-Grenze zur Rotation des Fergana-Beckens gegen den Uhrzeigersinn, und darüber hinaus zur Exhumation entlang diverser Nebenstörungen führten. Erhöhte Sedimentationsraten (~150 m Myr-1) der Oligo-Miozänen Einheiten im Fergana Becken (Massaget Fm.) deuten ebenfalls auf eine synchrone Deformationsphase umliegender Gebieten zu dieser Zeit. Dies ist durch erhöhte Abkühlungsraten im zentralen Alai (südlich des Fergana Beckens) gut dokumentiert und impliziert, dass die intra-montane Fragmentierung und Isolierung, der ehemals zusammenhängenden Sedimentbecken, zur gleichen Zeit erfolgte. Diese Beobachtungen deuten auf eine Deformationsgeschichte hin, die zeitgleich ihren Ursprung in zwei voneinander entfernten Regionen hat. Diese frühen Hebungen scheinen durch reaktivierte Strukturen (wie der Talas-Fergana-Störung) gesteuert worden zu sein, deren Orientierung optimal für eine N-S Einengung im Bereich des westlichen Tian Shan geeignet ist. Eine erneute Phase schneller Abkühlung im späten Miozän (~10 Ma) führte zur Aktivierung der meisten heutigen Gebirgszüge und der Reaktivierung prä-existierender Strukturen. Diese Deformationsphase zeigt eine weite Verbreitung und einen Anstieg der Exhumationsraten in den meisten beprobten Bereichen. Darüberhinaus steigen die pliozänen Sedimentationsraten (>180 m Myr-1) im Fergana-Becken und die Faziesanalyse der Sedimente zeigt hoch-energetische Ablagerungsbedingungen. Fazit dieser Arbeit ist, dass der Tian Shan und ein Großteil Zentralasiens durch erhöhte Verkürzungsraten der Kruste stark beeinflusst wurden. Früher ging man davon aus, dass Stresstransfer entlang des stabilen Tarim-Blocks oder die Indentation des Pamir-Gebirges zur Deformation im Hinterland des Himalaya führten. Die beobachteten Deformationsmuster deuten jedoch auf einen anderen, viel weitreichenderen geodynamischen Prozess hin.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alejandro BandeGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398933
Advisor:Edward R. Sobel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/12/05
Release Date:2017/08/11
Tag:Tektonik; Thermochronologie; Tien Shan
Tien Shan; tectonics; thermochronology
Pagenumber:xiv, 119
RVK - Regensburg Classification:TP 6860
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht