Magda Patyniak

• 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 theThe 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.…
• 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 derDie 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.…