The amalgamation of the Pamirs and their subsequent evolution in the far field of the India-Asia collision

Abstract

The geodynamic understanding of the Pamir mountains in Central Asia has been hitherto rather fragmentary, despite its importance as one of the linking segments recording the history of the Tethys ocean between southeast Asia and the Alps. A new model for the Pamirs accounts in particular for the structural correlation with the neighbouring Tibetan and Afghan units. Radiometric age dating (U/Pb, Rb/Sr and Ar/Ar) and geochemical provenance analyses of W-E oriented magmatic belts and associated rock assemblages in the southern Tien Shan and eastern Pamirs elucidate the principal geodynamic phases of the region. The events can be comprehended following a N-S transect through the region: (1) During the early and middle Palaeozoic, an active continental margin existed at the northern margin of the Palaeotethys, striking nearly parallel to the present-day Tien Shan orogen. In the middle and late Palaeozoic, marginal basins were closed and several terranes accreted. Early Permian (~277 Ma), calc-alkaline granitoids from the southern Tien Shan exemplify this development. They correlate with intrusions of the Garm-Turkestan-Alay zone west of the Tien Shan, which is attributed to the northward directed closure of the South Gissar ocean. This closure likely coincided with the disappearance of the South Tien Shan ocean, another marginal basin east of the determined transect. Thereby, the Baysunta and Garm terranes and the Tarim block were accreted. (2) Southwardly contiguous to the South Tien Shan and the intramontane Alay valley, the northern Pamirs expose metavolcanic rocks (Altyndara section), ~370-330 Ma of age, that represent a possible western extension of the north Kunlun arc of western Tibet. Consecutive late Palaeozoic to Triassic subduction of the Sonpan-Ganze ocean created the southern Kunlun of western Tibet, an equivalent of which is conjectured to exist in the northern Pamirs. (3) Permo-Triassic volcaniclastic rocks form the Karakul-Mazar accretionary complex in the southern part of the northern Pamirs, which resulted from northward oriented subduction of the Sonpan-Ganze ocean underneath the southern Kunlun arc (see above) and southward oriented subduction along the Tanymas suture underneath the area now represented by the northern edge of the Central Pamirs. This cryptic southern suture correlates with the Tibetan Jinsha suture and the Central Pamirs corresponds to the Qiangtang block. The post-tectonic massive Lake Karakul batholith was emplaced into the accretionary units of the northern Pamirs at ~227 Ma, roughly coinciding with similar granitoids of northwest Tibet (~227-199 Ma). Comparable Permo-Triassic volcaniclastic successions and Triassic plutonites are reported from the western Badakshan, western Hindu Kush, and Feroz Koh of Afghanistan. (4) Medium to high grade metamorphites of the Sonpan-Ganze ocean floor and its mainly Triassic mélange compose basement domes in the Central Pamirs, which have been exhumed in the Tertiary. In the Qiangtang block of Tibet, basement domes of analogous composition have been exhumed already in the late Mesozoic. It is postulated that the Safed Khers area of Afghanistan hosts similar basement domes, and the Band-e Bayan and Farah Rod zones of that country correlate with the Mesozoic Central Pamirs and Qiangtang cover sequences. (5) Calc-alkaline granitoids (~190-150 Ma) cut the southern Central and northern Southeast Pamirs. They intruded into the eastern Pshart oceanic basin-arc sequence and formed the Rushan Pshart arc. The Farah Rod zone of Afghanistan likely represent the western continuation of this setting and granitoids of the southern Qiangtang block of Tibet (~170-160 Ma) epitomize its eastern prolongation. These successions and intrusives of the Rushan Pshart zone record the closure of probably several small, laterally arranged transpressive basins reaching into the Bangong-Nujiang zone between the Qiangtang and Lhasa blocks in Tibet. These basins were finally consumed by Mid-Jurassic times. (6) Zircons of Late Miocene xenoliths and of Cretaceous plutons from the central and southern Pamirs suggest a prolonged magamtic history of the region comprising four main phases: Cambro-Ordovician (~575-410 Ma); Triassic (~250-200 Ma), related to subduction along the Jinsha suture and/or Triassic rifting; Jurassic (~200-150 Ma), related to subduction along the Rushan Pshart suture; and Cretaceous. The Cretaceous activity may comprise peaks at ~120 Ma and ~80 Ma, reflecting arc activity prior to accretion of the Karakorum block probably along the Tirich Mir fault and flat-slab subduction along the Shyok suture north of the Kohistan-Ladakh arc respectively.

Die paläozoische bis tertiäre geodynamische Entwicklung des Pamir Gebirges in Zentralasien war bisher nur unvollständig rekonstruiert. Dabei handelt es sich bei der Region um einen Schlüsselbereich im Verständnis der lateralen Tethysentwicklung von den Alpen bis nach Südostasien. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues, vollständiges geodynamisches Modell entwickelt, das mit den strukturellen Einheiten Afghanistans korreliert und sich sehr gut in existierende Modelle Tibets einfügt. Mit Hilfe von radiometrischen Altersdatierungen (U/Pb, Rb/Sr und Ar/Ar) und geochemischen Herkunftsbestimmungen an magmatischen Gesteinen W-O streichender magmatischer Gürtel und assoziierter Gesteinsabfolgen lassen sich die wichtigsten paläohistorischen Phasen der Region rekonstruieren. Entlang einem N-S Profil vom südlichen Tien Shan bis östlichen Pamir werden die geodynamischen Ereignisse wie folgt zusammengefaßt: 1) Während des frühen und mittleren Paläozoikums existierte ein aktiver Kontinentalrand im Norden der Paläotethys, etwa entlang dem heutigen Tien Shan Gebirge. Im mittleren und späten Paläozoikum schlossen sich Randbecken und kleinere Terranes amalgamierten. Dies ist beispielsweise entlang des Profils durch die unterpermischen (~277 Mio. Jahre) kalk-alkalinen Granitoide des südlichen Tien Shan belegt. Diese Intrusionen sind mit der westlich angrenzenden Garm-Turkestan-Alay Zone vergleichbar und zeigen die nordwärts gerichtete Schließung des Süd-Gissar Ozeans an. Dieses Ereignis entspricht der Schließung des Süd Tien Shan Ozeans, einem weiteren Randbecken östlich des Profils. Dabei wurden von West nach Ost die Baysunta und Tadjik Terranes sowie der Tarim Block amalgamiert. 2) Südlich schließt sich im bearbeiteten Profil nach dem Süd Tien Shan und dem intramontanen Alaytal der Nordpamir an. Dort belegen ~370-330 Mio. Jahre alte metavulkanische Gesteine (Altyndara Profil) einen magmatischen Bogen, der mit dem nördlichen Kunlun Bogen Westtibets korrelierbar ist. Die spätpaläozoische/triassische Subduktion des Sonpan-Ganze Ozeans führte in Westtibet zur Ausbildung des südlichen Kunlun Bogens. Ein äquivalenter triassischer magmatischer Bogen läßt sich im Nordpamir vermuten. 3) Gut belegt sind permotriassische vulkanosedimentäre Abfolgen im Nordpamir (in der Karakul See Region), die den Karakul-Mazar Akkretionskomplex aufbauen. Dieser entwickelte sich im Sonpan-Ganze Ozean zwischen nordwärts gerichteter Subduktion unter den magmatischen Kunlun Bogen und südwärts gerichteter Subduktion entlang der Tanymas Sutur am Nordrand des Zentralpamirs. Die kryptische, pamirische Tanymas Sutur ist mit der tibetischen Jinsha Sutur korreliert und der Zentralpamir mit dem Qiangtang Block. In die verschiedenen Subduktions- und Akkretionseinheiten des Nordpamirs intrudierte der massige, triassische/jurassische, posttektonische Karakul See Batholith. Der ~227 Mio. Jahre alte Granitoid ist mit gleich alten (~227-199 Mio. Jahre) posttektonischen Granitoiden in Nordwest-Tibet korrelierbar, die den Karakul-Mazar Komplex zusammenfügen. Vergleichbare Plutonite und permotriassische vulkanosedimentäre Abfolgen werden aus dem westlichen Badakshan, westlichen Hindu Kush, und der Feroz Koh Region in Afghanistan beschrieben. 4) Im Zentralpamir sind Basement-Antiformen aufgeschlossen, die hauptsächlich aus im Tertiär exhumiertem, mittel- bis hoch metamorphen Sonpan-Ganze Ozeanboden und triassisch/jurassischer Sonpan-Ganze Mélange bestehen. Im Qiangtang Block Tibets sind ebenfalls Basement-Dome, die aus den gleichen Einheiten bestehen, allerdings schon im Mesozoikum exhumiert wurden, bekannt. Möglicherweise ist in der afghanischen Safed Khers Region ähnliches Basement in Antiklinoria aufgeschlossen und die Band-e Bayan und Fahrah Rod Zonen Afghanistans können mit der mesozoischen Bedeckung des Zentralpamirs und dem Qiangtang Block korreliert werden. 5) Kalk-alkaline Granitoide (~190-150 Mio. Jahre) durchschneiden den südlichen Zentralpamir und nördlichen Südost-Pamir. Sie intrudierten die östliche Pshart Ozeanbecken-Inselbogen Sequenz und bauen den magmatischen Rushan Pshart Bogen auf. Die Fahrah Rod Zone in Afghanistan ist die vermutete westliche Fortsetzung und Granitoide des südlichen Qiangtang Blocks (170-160 Mio. Jahre) bilden die östliche Verlängerung dieser Zone. Die Abfolgen und Intrusionen der Rushan Pshart Zone belegen die Schließung mehrerer lateral aneinander gereihter Becken, die sich vermutlich in einem transpressiven Milieu gebildet haben. Diese Becken setzen sich bis in die Bangong-Nujiang Zone an der Grenze zwischen dem Qiangtang Block und Lhasa fort und wurden im mittleren Jura geschlossen. 6) Kretazische Plutone, die in den zentralen und südlichen Pamir intrudierten, belegen eine lang anhaltende magmatische Geschichte. Ihre Zirkone, sowie Zirkone aus spätmiozänen Xenolithen, belegen, daß die magmatische Hauptaktivität in vier Phasen erfolgte: vom Präkambrium bis Ordovizium (~575-410 Mio. Jahre); in der Trias (~250-200 Mio. Jahre), durch Subduktion entlang der Jinsha Sutur und/oder triassischem Rifting; im Jura (~200-150 Mio. Jahre), durch Subduktion entlang der Rushan Pshart Sutur; in der Kreide. Die kretazische Aktivität hatte möglicherweise zwei Höhepunkte, um ~120 Mio. und ~80 Mio. Jahre. Das frühere Kreide-Ereignis spiegelt Inselbogen-Aktivität vor der Akkretion des Karakorum Blocks wider, eventuell entlang der Tirich Mir Störung. Der spätkretazische Magmatismus könnte ein Hinweis auf flach einfallende Subduktion entlang der Shyok Sutur nördlich des Kohistan-Ladakh Bogens sein.