Investigating spatial and temporal patterns of deformation and erosion in orogens: Insights from the Himalaya-Tibet Orogen and the European Alps

Abstract

Neueste Fortschritte in Techniken der hochauflösenden Topographie, Geochronologie und Satellitengeodäsie haben Datensätze und Instrumente hervorgebracht, mit denen die räumlich-zeitlichen Verformungs- und Erosionsmuster in Gebirgslandschaften untersucht werden können. Diese Datensätze sind wichtige Bestandteile zur Begrenzung und Minderung geologischer Gefahren, die auch räumlicher und/oder zeitlicher Natur sind. Diese Arbeit zielt darauf ab, Kenntnisse der tektonischen Entwicklung des Himalaya-Tibet-Orogens und der umliegenden Regionen zu verfeinern, insbesondere in Bezug auf räumliche und zeitliche Schwankungen in Deformationsraten. Dies gelingt durch die Zusammenstellung und Darstellung von Datensätzen zu quartären Störungen in einer relationalen Datenbank und durch Ergebnisse aus der statistischen Analyse von Daten zu Relativbewegungsraten an Störungen. Gleichermaßen untersucht diese Arbeit zeitliche Schwankungen der postglazialen Erosion und den Einfluss von Steinschlägen auf die Entwicklung eines kürzlich eisfrei gewordenen Tals in den europäischen Alpen. Dies wird mit Magnituden-Häufigkeits-Statistik erreicht.

Die relationale Datenbank zeigt >1.000 quartäre Störungsspuren mit Störungsparametern für 123 quartäre Störungen und >34.000 Erdbeben innerhalb der Kollisionszone von Indien mit Asien. Nahezu alle Regionen mit hoher Seismizität überschneiden sich mit Gebieten, in denen quartäre Störungen kartiert wurden. Es weisen jedoch nicht alle Störungsgebiete auch eine hohe Seismizität auf. Bei der Darstellung von Störungen mit vorhandenen paläoseismischen Daten und/oder Relativbewegungsraten werden Regionen hervorgehoben, in denen große Erdbeben auftreten könnten. Die Analyse von 19 Störungen, an denen es insgesamt 57 Paare von quartären und GPS-bestimmten Relativbewegungsraten gibt, hat ergeben, dass ein mäßiger Prozentsatz (71%) der gesamten Schwankung in den quartären Relativbewegungsraten statistisch durch eine lineare Beziehung zwischen den GPS-bestimmten und den quartären Raten erklärt werden kann. Die restlichen 29% können auf andere Faktoren zurückzuführen sein, wie zeitliche Schwankungen in den Relativbewegungsraten über Zeiträume, die den Empfindlichkeiten der einzelnen Messmethoden entsprechen, oder aber methodische Schwächen. Im geologisch kürzlich eisfrei gewordenen Lauterbrunnental scheint es seit dem Gletscherückzug große zeitliche Schwankungen der Steinschlagaktivität zu geben. So deuten langfristige Steinschlaginventare (über die eisfreie Zeit von ~11 ka) auf höhere Raten der Steinschlagaktivität hin als solche, die mittlere (1 ka) und kurze (5,2 Jahre) Zeiträume betrachten. Letztere wurden jeweils durch das Potenzgesetz und Beobachtungen mittels terrestrischem Laserscanning (TLS) bestimmt. Die Schwankungen in der Steinschlagaktivität sind vermutlich auf die fehlende Stützwirkung des zurückweichenden Gletschers und Entspannungseffekte nach dem Abschmelzen des Gletschers und/oder den Einfluss von Frostsprengung durch Klimaschwankungen in den letzten 11 ka zurückzuführen.

Zusammenfassend geben die Ergebnisse dieser Studie einen Einblick in Verformungskinematik und postglaziale Erosionsraten in Gebirgslagen. Über große räumliche Skalen hinweg scheint es wenig zeitliche Schwankungen in Verformungsraten zu geben. Im Gegensatz dazu gibt es über kleinere Skalen große zeitliche Schwankungen in Erosionsraten. Die Datensätze und Methoden, die in dieser Arbeit verwendet werden, stellen eine Basis für die weitere Untersuchung von räumlich-zeitlichen Mustern der Verformung und Erosion in Gebirgslandschaften dar und steuern zukünftige Forschung, indem sie bestehende Datenlücken aufzeigen.

Recent advances in high resolution topography, geochronology and satellite geodesy techniques have provided datasets and tools that can be used to investigate the spatio- temporal patterns of deformation and erosion in mountain landscapes. These datasets are critical ingredients for constraining and mitigating geologic hazards which are also spatial and/or temporal in nature. By compiling and displaying datasets related to Quaternary faulting in a relational database and results from statistical analysis of fault slip rate data, this dissertation aims at refining the tectonic evolution of the Himalaya-Tibet orogen and the surrounding regions, with an emphasis on resolving spatial and temporal variations in deformation rates. Similarly, this dissertation investigates temporal variations in post-glacial erosion and the role of rockfalls in the evolution of a deglaciated valley in the European Alps. This is achieved using frequency-magnitude statistics. The relational database displays >1,000 Quaternary fault traces, with fault parameters for 123 Quaternary faults, and >34,000 earthquakes within the India-Asia collision zone. Nearly all regions of high seismicity overlap with where Quaternary faults have been mapped. However, not all faulted areas within these regions show high levels of seismicity. Displaying faults with paleoseismic records and/or slip rate data highlights regions that are capable of producing large earthquakes. The analysis of 57 Quaternary/Global Positioning System (GPS) slip rate pairs for 19 Quaternary faults from the database suggest that a moderate percentage (71%) of the total variation in the Quaternary slip rates can be statistically explained by a linear relationship between the GPS and Quaternary rates. The remaining 29% may be due to other factors such as temporal variations in slip rates over timescales individual methods are sensitive to and/or methodological shortcomings. In the deglaciated Lauterbrunnen valley, there appears to be large temporal variations in rockfall activity since deglaciation. Long timescale (~11 ka) rockfall inventories indicate higher rates of rockfall activity than intermediate (1 ka) and short (5.2 years) timescales as predicted by power-law and terrestrial laser scans (TLS) observations, respectively. This is likely due to debuttressing and stress relaxation effects after glacial retreat, and/or the influence of frost-shattering due to climatic oscillations in the past 11 ka. Taken together, results from this study shed light into the kinematics of deformation and postglacial erosion rates in mountainous settings. Over large spatial scales, there appears to be little temporal variation in deformation rates. Over smaller scales, there are large temporal variations in erosion rates. The datasets and methods used in this dissertation provide a platform for further investigation of spatio-temporal patterns of deformation and erosion in mountain environments, and guide future research by identifying where data gaps exist.