Morphotectonics and paleoseismology of the western Potwar Plateau and the Kalabagh Fault (Sub-Himalayas, Pakistan)

Abbas, Wahid; Reicherter, Klaus; Frechen, Manfred

doi:10.18154/RWTH-2022-00882

Morphotectonics and paleoseismology of the western Potwar Plateau and the Kalabagh Fault (Sub-Himalayas, Pakistan)

Abbas, Wahid

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Wahid Abbas, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Reicherter, Klaus (Thesis advisor)^RWTH* ; Frechen, Manfred (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-00882
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/839849/files/839849.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kalabagh Fault (frei) ; OSL (frei) ; PIRIR (frei) ; Pakistan (frei) ; luminescence dating (frei) ; morphotectonics (frei) ; paleoseismology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Der Sub-Himalaya in Pakistan wird seitlich durch die Kalabagh-Verwerfung und die Jhelum-Verwerfung gegliedert, die die Grenzen zwischen dem Kohat-Plateau, dem Potwar-Plateau und der Hazara-Kashmir-Syntaxis bilden. Die Hazara-Kaschmir-Syntaxis trennt sowohl strukturell als auch morphologisch den östlichen und den westlichen Sub-Himalaya im Kaschmir. Das östliche Potwar-Plateau und die Hazara-Kashmir-Syntaxis waren in letzter Zeit seismisch aktiv (z.B., Mw=7,6, 2005 und Mw=5,6, 2019). Auf dem Kohat-Plateau gab es 1992 außerdem ein Erdbeben der Stärke Mw=6. Diese Erdbeben weisen das Kohat-Plateau, das östliche Potwar-Plateau und die Hazara-Kashmir-Syntaxis als seismisch aktive Gebiete aus. Darüber hinaus zeigen InSAR- und GPS-Daten aus früheren Studien Hebungen und aseismische Verschiebungen in der Salt Range, dem westlichen Potwar-Plateau und entlang der Kalabagh-Verwerfung. Diese Anomalien deuten ebenfalls darauf hin, dass das Gebiet tektonisch aktiv ist und die Entwicklung der Morphologie beinflusst. Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Paläoseismologie und Neotektonik im Sub-Himalaya zu untersuchen mit Schwerpunkt auf der Kalabagh-Verwerfung, die das westliche Potwar-Plateau begrenzt. Die morphometrischen Indizes der Hazara-Kaschmir-Syntaxis, Pir-Panjal-Gebiet, im Potwar-Plateau-Salzgebirge und im Kohat-Plateau-Surghar-Gebiet und entlang der Kurram-Verwerfung wurden bestimmt und ausgewertet. Die Landschaftsentwicklung in diesen Gebieten wird durch die weicheren Lithologien der tertiären Sedimente beeinflusst, die leicht erodierbar sind und selbst in jüngeren Einzugsgebieten eine degradierte Morphologie aufweisen. Die Beziehung zwischen den Wassereinzugsgebieten dieser Gebiete zeigt, dass die Morphologie des Gebietes in unterschiedlichem Maße von den tektonischen Verformungen betroffen sind. Die morphometrischen Indizes der Hazara-Kaschmir-Syntaxis, Pir-Panjal-Gebiet, im Potwar-Plateau-Salzgebirge, im Kohat-Plateau-Surghar-Gebiet und an der Westflanke des Bannu-Beckens zeigen einen mäßigen bis hohen tektonischen Aktivitätsindex. Die Deformationsgeschichte und die Paläoerdbeben entlang der Kalabagh-Verwerfung wurden mittels morphotektonischer und paläoseismischer Untersuchungen studiert und durch Lumineszenzdatierungen der deformierten Sedimente zeitlich eingeordnet. Bei älteren Sedimenten wurde die pIRIR-Lumineszenz-Datierungsmethode mittels Kalium-Feldspat angewandt. Für jüngere (holozäne) Sedimente wurden Quarz-OSL-Datierungen verwendet. Diese Studie zeigt die tektonischen Deformationen und die Seismizität, die während des mittleren bis späten Pleistozäns und Holozäns auftraten. Die dextrale Kalabagh-Verwerfung weist eine En-Echelon-Zone auf, die sich im Überschneidungsbereich zwischen den Segmenten der Verwerfung gebildet hat. Die Überschiebung der En-Echelon-Verwerfungen zwischen den Abschnitten Thathi und Zaluch wurde vor etwa 0,5 Ma erstmals an der Oberfläche sichtbar. Ein Push-up-Block in dieser En-Echelon-Zone hat die Morphologie in den letzten ~ 0,5 Ma maßgeblich geformt. Andauernde tektonische Deformationen haben die Landschaft seit ~220 ka in Larkakki, ~140 ka in Ghundi und ~190 ka in Khairabad geformt. Diese diachrone Deformation hat zunächst zu einer Mäanderbildung des von Norden nach Süden fließenden Indus im Mianwali Reentrant geführt. Die weitere Hebung des Push-up-Blocks hat eine tektonische Neigung verursacht, die den Flusslauf des Indus in den letzten ~140 ka mit einer Versatzrate von ~12-15 cm/a nach Westen ablenkt. Die dextrale Blattverschiebung in der En-Echelon-Zone der Kalabagh-Verwerfung weist morphotektonische Merkmale auf, zu denen Flussablenkungen, Verschiebungen in quartären Sedimenten, Druckrücken im Vorland, verschobene Schwemmfächer, angehobene Sedimente an der Fächerspitze und im Piggy-Back Becken, Rückrotationen der Fächersedimente, sowie Gerölle, die zerbrochen und verschoben sind, gehören. Die Untersuchung des Untergrunds mit Bodenradar (GPR) und die Untersuchungen der aufgeschlossenen Gräben, Aufschlüsse und Bäche zeigen, dass die Kalabagh-Verwerfung die spätquartären Sedimente bei seismischen Ereignissen deformiert hat. Die aus diesen deformierten Sedimenten ermittelten Lumineszenzalter lassen auf eine diachrone holozäne Seismizität entlang der Kalabagh-Verwerfung schließen. Das Wiederholungsintervall von durchschnittlich ~10 ± 2 ka wurde auf der Grundlage des Alters der tektonisch angehobenen pleistozänen Sedimente und der jüngsten Erdbeben in Khairabad berechnet, die die holozänen Sedimente deformiert haben. Die jüngsten Erdbeben in Khairabad im frühen Holozän (~ 9 ka) und während ~ 1 ka in Ghundi weisen diese Abschnitte der Kalabagh-Verwerfung als tektonisch aktiv aus, und in das Vorland Spannungen transferieren, die an diesen Stellen zu starker Seismizität führen können. Darüber hinaus zeigen morphometrische Analysen in der östlichen Salt Range, der Hazara-Kashmir-Syntaxis, der Pir-Panjal-Gebiet und der Kurram-Verwerfung die paläoseismische Bewegungen in diesen Teilen des Untersuchungsgebiets unterstützen.

The Sub-Himalayas in Pakistan are laterally categorized by the Kalabagh and the Jhelum Faults, bounding the Kohat and Potwar Plateaus and the Hazara Kashmir Syntaxis. The Hazara Kashmir syntaxis separates structurally and morphologically the eastern and the western Sub-Himalayas in Kashmir. The eastern Potwar Plateau and the Hazara Kashmir syntaxis have yielded recent seismicity (e.g., Mw=7.6,2005 and Mw=5.6,2019). Also, the Kohat Plateau has revealed a Mw=6 (1992) earthquake. These earthquakes designate the Kohat Plateau, the eastern Potwar Plateau and the Hazara Kashmir syntaxis as seismically active areas. Moreover, InSAR and GPS data from previous studies reveal uplift and aseismic displacements in the Salt Range, western Potwar Plateau and along the Kalabagh Fault. These anomalies suggest the area is tectonically active, that governs the landform development. This PhD thesis aims at studying the paleoseismology and neotectonics in the Sub-Himalayas with emphasis on the Kalabagh Fault, that delineates the western Potwar Plateau. The morphometric indices are evaluated in the Hazara Kashmir Syntaxis, Pir Panjal Ranges, Potwar Plateau-Salt Range, Kohat Plateau-Surghar Range and along the Kurram Fault. The landscape development in these areas is influenced by the softer lithologies of the Tertiary sediments, that are rapidly erodible and exhibit degraded morphology even for younger drainage basins. The analysis has established a comparative relation among the watersheds of these areas, denoting the landforms are differentially affected by tectonic deformations. The morphometric indices from the landforms in the Hazara Kashmir Syntaxis, Pir Panjal Ranges, Potwar Plateau-Salt Range, Kohat Plateau-Surghar Range and the western flank of the Bannu Basin reveal moderate to high tectonic activity index. Deformation history and paleoearthquakes are studied along the Kalabagh Fault using morphotectonics and paleoseismic investigations, supported by the luminescence dating of the deformed sediments. For older sediments, pIRIR luminescence dating method was applied on K-feldspar. The quartz OSL dating was employed for younger (Holocene) sediments. This study finds the tectonic deformation and seismicity that occurred during middle-late Pleistocene and Holocene. The dextral Kalabagh Fault exhibits an en-echelon zone that has formed in the overlapping area between the segments of the fault. The stepover of the en-echelon faults, that had initiated the landform development between the Thathi and Zaluch sections, had a first surface expression ~ 0.5 Ma ago. A push-up block in this en-echelon zone has formed during the past ~ 0.5 Ma. Ongoing tectonic deformations have started developing the landform since ~220 ka at Larkakki, ~140 ka at Ghundi and ~190 ka at Khairabad. This diachronous deformation has initially created meandering in the north to south flowing Indus River in the Mianwali Reentrant. Further uplifting of the push-up block has caused a tectonic tilt, diverting the course of the Indus River westward during past ~140 ka at a displacement rate of ~12-15 cm/a. The right lateral displacement in the en-echelon zone of the Kalabagh Fault exhibits morphotectonic features that include stream deflections, offsets in Quaternary sediments, pressure ridges in the foreland, displaced alluvial fans, uplifted sediments at fan apex and a piggyback basin, back tilting in the fan sediments and pebbles that are fractured and displaced. Subsurface scanning from the ground penetrating radar (GPR) and investigations from the trenches, outcrops and streams reveal splays of the Kalabagh Fault has disrupted the late Quaternary sediments during seismic events. Luminescence ages determined from these deformed sediments suggest diachronous Holocene seismicity along the Kalabagh Fault. The recurrence interval of ~10 ± 2 ka on average is calculated based on the ages of the tectonically uplifted Pleistocene sediments and youngest earthquakes at Khairabad, that has disrupted the Holocene sediments. The latest earthquakes at Khairabad in early Holocene (~ 9 ka), and during ~ 1 ka at Ghundi denote these sections of the Kalabagh Fault as tectonically active, whereas foreland is exerting stress that may lead to major seismicity at these locations. Moreover, morphometric analysis and landforms in the eastern Salt Range, Pir Panjal Ranges, Hazara Kashmir syntaxis and the Kurram Fault exhibit results that may support paleoseismic evidences in these parts of the study area.

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