TY - THES A1 - Patyniak, Magda T1 - Seismotectonic segmentation, paleoearthquakes and style of deformation along the Northern Pamir thrust system, South Kyrgyzstan T1 - Seismotektonische Segmentierung, Paläoerdbeben und Art der Deformation entlang des nördlichen Pamir-Überschiebungssystems, Südkirgisistan N2 - The Pamir Frontal Thrust (PFT) located in the Trans Alai range in Central Asia is the principal active fault of the intracontinental India-Eurasia convergence zone and constitutes the northernmost boundary of the Pamir orogen at the NW edge of this collision zone. Frequent seismic activity and ongoing crustal shortening reflect the northward propagation of the Pamir into the intermontane Alai Valley. Quaternary deposits are being deformed and uplifted by the advancing thrust front of the Trans Alai range. The Alai Valley separates the Pamir range front from the Tien Shan mountains in the north; the Alai Valley is the vestige of a formerly contiguous basin that linked the Tadjik Depression in the west with the Tarim Basin in the east. GNSS measurements across the Central Pamir document a shortening rate of ~25 mm/yr, with a dramatic decrease of ~10-15 mm over a short distance across the northernmost Trans Alai range. This suggests that almost half of the shortening in the greater Pamir – Tien Shan collision zone is absorbed along the PFT. The short-term (geodetic) and long-term (geologic) shortening rates across the northern Pamir appear to be at odds with an apparent slip-rate discrepancy along the frontal fault system of the Pamir. Moreover, the present-day seismicity and historical records have not revealed great Mw > 7 earthquakes that might be expected with such a significant slip accommodation. In contrast, recent and historic earthquakes exhibit complex rupture patterns within and across seismotectonic segments bounding the Pamir mountain front, challenging our understanding of fault interaction and the seismogenic potential of this area, and leaving the relationships between seismicity and the geometry of the thrust front not well understood. In this dissertation I employ different approaches to assess the seismogenic behavior along the PFT. Firstly, I provide paleoseismic data from five trenches across the central PFT segment (cPFT) and compute a segment-wide earthquake chronology over the past 16 kyr. This novel dataset provides important insights into the recurrence, magnitude, and rupture extent of past earthquakes along the cPFT. I interpret five, possibly six paleoearthquakes that have ruptured the Pamir mountain front since ∼7 ka and 16 ka, respectively. My results indicate that at least three major earthquakes ruptured the full-segment length and possibly crossed segment boundaries with a recurrence interval of ∼1.9 kyr and potential magnitudes of up to Mw 7.4. Importantly, I did not find evidence for great (i.e., Mw ≥8) earthquakes. Secondly, I combine my paleoseimic results with morphometric analyses to establish a segment-wide distribution of the cumulative vertical separation along offset fluvial terraces and I model a long-term slip rate for the cPFT. My investigations reveal discrepancies between the extents of slip and rupture during apparent partial segment ruptures in the western half of the cPFT. Combined with significantly higher fault scarp offsets in this sector of the cPFT, the observations indicate a more mature fault section with a potential for future fault linkage. I estimate an average rate of horizontal motion for the cPFT of 4.1 ± 1.5 mm/yr during the past ∼5 kyr, which does not fully match the GNSS-derived present-day shortening rate of ∼10 mm/yr. This suggests a complex distribution of strain accumulation and potential slip partitioning between the cPFT and additional faults and folds within the Pamir that may be associated with a partially locked regional décollement. The third part of the thesis provides new insights regarding the surface rupture of the 2008 Mw 6.6 Nura earthquake that ruptured along the eastern PFT sector. I explore this rupture in the context of its structural complexity by combining extensive field observations with high-resolution digital surface models. I provide a map of the rupture extent, net slip measurements, and updated regional geological observations. Based on this data I propose a tectonic model in this area associated with secondary flexural-slip faulting along steeply dipping bedding of folded Paleogene sedimentary strata that is related to deformation along a deeper blind thrust. Here, the strain release seems to be transferred from the PFT towards older inherited basement structures within the area of advanced Pamir-Tien Shan collision zone. The extensive research of my dissertation results in a paleoseismic database of the past 16 ~kyr, which contributes to the understanding of the seismogenic behavior of the PFT, but also to that of segmented thrust-fault systems in active collisional settings. My observations underscore the importance of combining different methodological approaches in the geosciences, especially in structurally complex tectonic settings like the northern Pamir. Discrepancy between GNSS-derived present-day deformation rates and those from different geological archives in the central part, as well as the widespread distribution of the deformation due to earthquake triggered strain transfer in the eastern part reveals the complexity of this collision zone and calls for future studies involving multi-temporal and interdisciplinary approaches. N2 - Die Pamir-Frontüberschiebung (PFT) des Trans-Alai-Gebirges in Zentralasien ist die wichtigste aktive Verwerfung der intrakontinentalen indisch-eurasischen Konvergenzzone und bildet die nördlichste Grenze des Pamir-Orogens am NW-Rand dieser Kollisionszone. Die intensive Seismizität und die fortschreitende Krustenverkürzung spiegeln die nach Norden gerichtete Verlagerung des Pamir in das intermontane Alai-Tal wider. Quartäre Ablagerungen werden durch die vorstoßende Überschiebungsfront des Trans-Alai-Gebirges sukzessive deformiert und angehoben. Das Alai-Tal trennt das Pamir-Gebirge vom Südrand des Tien Shan-Gebirges und verkörpert die Überreste eines ehemals zusammenhängenden Beckens, welches früher die Tadjik-Senke im Westen mit dem Tarim-Becken im Osten verband. GNSS-Messungen südlich der PFT im Bereich des Zentralpamirs dokumentieren eine Verkürzungsrate von 25 mm/Jahr, welche über eine kurze Strecke zur nördlichen Front des Trans-Alai-Gebirges hin drastisch um 10-15 mm abnimmt. Dies lässt darauf schließen, dass fast die Hälfte der Einengung entlang der PFT absorbiert wird, welche sich in der Kollisionszone zwischen dem Pamir und dem Tien Shan befindet. Eine offensichtliche Abweichung zwischen den kurzfristigen (geodätischen) und langfristigen (geologischen) Verkürzungsraten im nördlichen Pamir weist auf eine Diskrepanz in den Versatzraten entlang des nördlichen frontalen Verwerfungssystems hin. Darüber hinaus weisen weder die heutige Seismizität noch die historischen Aufzeichnungen auf große Erdbeben der Stärke Mw > 7 hin, wie sie bei einer solch signifikanten Verschiebung zu erwarten wären. Stattdessen zeigen rezente und historische Erdbeben komplexe Bruchmuster innerhalb und quer zu seismotektonisch definierten Segmenten, die die Pamir-Gebirgsfront begrenzen, was unser Verständnis der Verwerfungsinteraktion und des seismogenen Potenzials dieses Gebiets herausfordert. Die Wechselwirkungen zwischen Seismizität und der Geometrie der Überschiebungsfront sind somit nicht gut verstanden. In dieser Dissertation verwende ich verschiedene Verfahren, um das seismogene Verhalten entlang der PFT zu bestimmen. Dazu werden zunächst paläoseismische Daten aus fünf Schürfgräben entlang des zentralen Segmentes der PFT (cPFT) erhoben und eine segmentweite Erdbebenchronologie zusammengestellt. Dieser neue Datensatz liefert wichtige Erkenntnisse über die Häufigkeit, die Stärke und das Bruchausmaß vergangener Erdbeben entlang der cPFT. Darauf basierend wurden fünf bzw. sechs Paläoerdbeben interpretiert, die sich entlang der nördlichen Pamir-Gebirgsfront in den letzten ∼7 ka bzw. ~16 ka ereigneten. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass davon mindestens drei große Erdbeben die gesamte Länge des zentralen Segments durchbrochen haben und der Bruch möglicherweise sogar die Segmentgrenzen überschritten hat, mit einem Wiederholungsintervall von ∼1,9 kyr und potenziellen Magnituden von bis zu Mw 7,4. Entscheidend an dieser Stelle ist, dass ich keine Hinweise auf sehr große (d.h. Mw ≥ 8) Erdbeben gefunden habe. Meine paläoseismischen Ergebnisse werden anschließend mit morphometrischen Analysen entlang des zentralen PFT-Segmentes verknüpft, um eine segmentweite Verteilung der kumulativ versetzten Geländestufe entlang fluvialer Terrassen zu ermitteln. Aus dieser Verteilung wird eine langzeitliche Versatzrate für die cPFT modelliert. In der westlichen Hälfte der cPFT zeigen meine Untersuchungen deutliche Unstimmigkeiten zwischen dem Versatz und der Ausdehnung des Oberflächenbruchs auf. In Anbetracht der deutlich höheren Geländestufen im westlichen Bereich deuten die Beobachtungen auf einen reiferen Verwerfungsabschnitt hin. Somit besteht Potenzial für zukünftige Verbindung der Segmente und potenziell stärke Erdbeben. Mit meinen Daten konnte ich eine mittlere horizontale Bewegungsrate von 4,1 ± 1,5 mm/Jahr während der letzten ∼5 kyr für die cPFT ermitteln, welche nicht vollständig mit der von GNSS abgeleiteten heutigen Verkürzungsrate von ∼10 mm/Jahr übereinstimmt. Dies deutet auf eine komplexe Verteilung des Spannungsaufbaus und eine potenzielle Aufteilung dieser Spannungen zwischen der cPFT und den übrigen Verwerfungen und Falten innerhalb des Pamirs hin, welche möglicherweise mit einem teilweise blockierten regionalen Décollement einhergehen. Der letzte Teil der Arbeit liefert neue Erkenntnisse über den Oberflächenbruch des Nura-Erdbebens der Stärke 6,6 (Mw) aus dem Jahr 2008, das sich entlang der östlichen PFT ereignete. Ich untersuche diesen Bruch im Hinblick auf seine strukturelle Komplexität, indem ich umfangreiche Feldbeobachtungen mit hochauflösenden digitalen Oberflächenmodellen verknüpfe. Ich erstelle eine Karte der Bruchausdehnung, des gemessenen Gesamtversatzes und aktualisiere regionale geologische Beobachtungen. Auf der Grundlage dieser Daten entwickle ich für dieses Gebiet Szenarien für ein tektonisches Modell, das mit Biegegleitfalten in mesozoischen und känozoischen Sedimentschichten im Zusammenhang steht. Ich zeige, dass diese Formen mit älteren, kumulativ versetzten seismogenen Strukturen übereinzustimmen scheinen und auf eine wiederkehrende, langfristige Deformationsgeschichte entlang dieses Sektors der nördlichen Pamir-Gebirgsfront hinweisen. Die umfangreichen Forschungsarbeiten meiner Dissertation resultieren in einer paleoseismischen Datenbasis der letzten ~16,000 Jahre, welche zum Verständnis des seismogenen Verhaltens der PFT, aber auch zu dem von segmentierten Überschiebungssystemen in aktiven Kollisionsgebieten beitragen. Meine Beobachtungen unterstreichen, wie wichtig die Kombination verschiedener methodischer Ansätze in den Geowissenschaften ist, insbesondere in strukturell komplexen tektonischen Gebieten wie dem nördlichen Pamir. Die Diskrepanz zwischen den von GNSS abgeleiteten heutigen Deformationsraten und denen aus verschiedenen geologischen Archiven im zentralen Teil, und die weite Verbreitung der Deformation durch erdbebenbedingten Dehnungstransfer im östlichen Teil offenbart die Komplexität dieser Kollisionszone und erfordert künftige Studien mit multitemporalen und interdisziplinären Ansätzen. KW - paleoseismology KW - Paleoseismologie KW - Neotektonik KW - Strukturgeologie KW - quartäre Geochronologie KW - Zentral Asien Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577141 ER - TY - JOUR A1 - Schneider, K. P. A1 - Hoffmann, J. E. A1 - Münker, C. A1 - Patyniak, Magda A1 - Sprung, P. A1 - Roerdink, D. A1 - Garbe-Schönberg, D. A1 - Kröner, A. T1 - Petrogenetic evolution of metabasalts and metakomatiites of the lower Onverwacht Group, Barberton Greenstone Belt (South Africa) JF - Chemical geology : official journal of the European Association for Geochemistry N2 - A well-preserved sequence, by Archean standards, of mantle-derived metabasalts and metakomatiites forms large parts of the lower Onverwacht Group of the Barberton Greenstone Belt (South Africa). To elucidate the origin of mafic and ultramafic rocks from this 3.55 to 3.45 Ga sequence, we present a comprehensive geochemical dataset including major and trace elements as well as Lu-Hf and Sm-Nd isotope compositions for a variety of metavolcanic rocks. These include metabasalts of the amphibolite-facies Sandspruit and Theespruit Formations as well as metabasalts and metakomatiites of the lower greenschist-facies Komati Formation. Based on their incompatible trace element patterns, the basalts of the Sandspruit and Theespruit Formations can be subdivided into a light rare earth element (LREE) depleted group, a LREE-undepleted group, and a LREE-enriched group. Positive epsilon Hf-(t) and epsilon Nd-(t) values of ca. +3 to +4 and 0 to +2, respectively, together with depletions in Th and La-CN/Yb-CN indicate derivation of the LREE-depleted basalts from a depleted mantle source. However, chondritic epsilon Hf-(t) and epsilon Nd-(t) values combined with positive Th and La-CN/Yb-CN of the LREE-enriched samples indicate a contribution from older granitoid crust in the petrogenesis of these samples. Trace element patterns of komatiites and basalts of the Komati Formation are generally flat relative to primitive mantle with slight depletions in heavy rare earth elements and Th and overall positive epsilon Hf-(t) of + 2.5 +/- 3.5 (2 s.d.) and epsilon Nd-(t) of + 0.5 +/- 2.2 (2 s. d.). The coherence in trace element characteristics suggests a common magmatic origin for basalts and komatiites. This study reveals that the two lavas were derived from the same mantle plume, i. e. komatiites were formed by high degrees of melting of a depleted mantle source containing residual garnet and the basalts were formed by moderate degrees of partial melting in shallower regions of the mantle. Based on the current dataset, combined with published data, we propose a geodynamic model for the oldest units of the Barberton Greenstone Belt that describes the development from a submerged continental setting (for the Sandspruit and Theespruit Formations) to a submarine plateau setting (for the Komati Formation) as a consequence of continental rifting. KW - Paleoarchean KW - Assimilation-fractional crystallization KW - Mantle source KW - Ancient Gneiss Complex Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2019.02.020 SN - 0009-2541 SN - 1872-6836 VL - 511 SP - 152 EP - 177 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Perez-Lopez, Raul A1 - Martin-Velazquez, Saul A1 - Sanchez-Moral, Sergio A1 - Patyniak, Magda A1 - Lopez-Gutierrez, Jose A1 - Cuezva, Soledad A1 - Lario, J. A1 - Silva, P. G. A1 - Rodriguez-Pascua, M. A. A1 - Giner-Robles, J. L. T1 - New insights on speleoseismology: The geothermal gradient and heat flow values in caves for the study of active faults JF - Quaternary international : the journal of the International Union for Quaternary Research N2 - Normally in paleoseismology, the study of the tectonic slip-rate is performed in trenches on the fault scarp, or by the estimation of fault movements from the geomorphic features. In this work, we have carried out a paleoseismic analysis of the Benis Fault, located in southeast Spain, combined with a geothermal analysis inside a deep cave related to the fault (-350 m). Thus, we have estimated the last earthquake magnitude and time of occurrence from evidence of ceiling collapse and displaced carbonate blocks inside a cave, which is developed across the fault. The magnitude was obtained from the application of the empirical relationship of the fault parameters and coseismic vertical displacement, yielding a value ranging between M 5.9 and M 6.5. Moreover, we dated this paleoearthquake by the paleontological record of a "Lynx pardinus spelaea", with an age of 65 +/- 18 ka BP. Additionally, we have measured the thermal profile of the Benis Cave (-350 m of depth), from single rock point temperature measurements during 2 years. The temperature profile shows three different parts inside the cave, the shallow heterogeneous thermal zone till 50 m depth; the homogeneous thermal zone 150 m till with constant temperature and the hetero-thermal deep zone, deeper than 150 m and till the deepest zone (350 m). Furthermore, we have estimated the Vertical Geothermal Gradient, 1.85 degrees C/100 m for the deepest zone (-150; -290 m). The temperature increases with depth, showing a reverse thermal profile in comparison with normal gradients in deep caves. Finally, we have calculated the heat flux of 0.46 mWm(2). (C) 2016 Elsevier Ltd and INQUA. All rights reserved. KW - Speleoseismology KW - Active fault KW - Cave KW - Slip-rate KW - Heat flux Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1016/j.quaint.2016.11.026 SN - 1040-6182 SN - 1873-4553 VL - 451 SP - 165 EP - 175 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Patyniak, Magda A1 - Landgraf, Angela A1 - Dzhumabaeva, Atyrgul A1 - Abdrakhmatov, Kanatbek E. A1 - Rosenwinkel, Swenja A1 - Korup, Oliver A1 - Preusser, Frank A1 - Fohlmeister, Jens Bernd A1 - Arrowsmith, J. Ramon A1 - Strecker, Manfred T1 - Paleoseismic Record of Three Holocene Earthquakes Rupturing the Issyk-Ata Fault near Bishkek, North Kyrgyzstan JF - Bulletin of the Seismological Society of America N2 - The northern edge of the western central Tien Shan range is bounded by the Issyk-Ata fault situated south of Bishkek, the capital of Kyrgyzstan. Contraction in this thick-skinned orogen occurs with low-strain accumulation and long earthquake recurrence intervals. In the nineteenth to twentieth centuries, a sequence of large earthquakes with magnitudes between 6.9 and 8 affected the northern Tien Shan but left nearly the entire extent of the Issyk-Ata fault unruptured. Here, the only known historic earthquake ruptured in A.D. 1885 (M6.9) along the western end of the Issyk-Ata fault. Because earthquakes in low-strain regions often tend to cluster in time and may promote failure along nearby structures, the earthquake history of the northern Tien Shan represents an exceptional structural setting for studying fault behavior affected by an intraplate earthquake sequence. We present a paleoseismological study from one site (Belek) along the Issyk-Ata fault located east of the A.D. 1885 epicentral area. Our analysis combines a range of tools, including photogrammetry, differential Global Positioning System, 3D visualization, and age modeling with different dating methods (infrared stimulated luminescence, radiocarbon, U-series) to improve the reliability of an event chronology for the trench stratigraphy and fault geometry. We were able to distinguish three different surfacerupturing paleoearthquakes; these affected the area before 10.5 +/- 1.1 cal ka B.P., at similar to 5.6 +/- 1.0 cal ka B.P., and at similar to 630 +/- 100 cal B.P., respectively. Associated paleomagnitudes for the last two earthquakes range between M6.7 and 7.4, with a cumulative slip rate of 0.7 +/- 0.32 mm/yr. We did not find evidence for the A.D. 1885 event at Belek. Our study yielded two main overall results: first, it extends the regional historic and paleoseismic record; second, the documented rupture events along the Issyk-Ata fault suggest that this fault was not affected in its entirety; instead, these events indicate segmented rupture behavior. Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1785/0120170083 SN - 0037-1106 SN - 1943-3573 VL - 107 SP - 2721 EP - 2737 PB - Seismological Society of America CY - Albany ER -