(Azad Kashmir, NE-Pakistan)

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1 Diss. ETH No Tectonics and Metamorphism in the Western Himalayan Syntaxis Area (Azad Kashmir, NE-Pakistan) A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Natural Sciences presented by Antonio Marco Greco dipl. Natw. ETH, geologist born 23th September 1959 citizen of Italy accepted on the recommendation of Prof. Dr. John G. Ramsay, examiner Dr. P. Le Fort, co-examiner Dr. G. Martinotti, co-examiner Zurich, 1989

2 7 Abstract This thesis discusses the tectonic and metamorphic features of the Western Himalayan Syntaxis area exposed in NE Pakistan and Azad Kashmir. The Tertiary collision between the Indian Plate and the Kohistan Island Arc produced a tectonic pile composed of four main elements (Subhimalaya, Lesser Himalaya, Higher Himalaya and Kohlstan Sequence), each having characteristic stratlgraphic, structural and metamorphic features, and which are separated by three main thrust faults (Main Boundary Thrust. Main Central Thrust and Indus Suture). The large-scale structure is dominated by the 160 bending of the geological lineaments around a central, lowermost core (Hazara-Kashmir Syntaxis) and by the northeast continuation of this syntaxial structure towards the uppermost tectonic element (Nanga Parbat Syntaxis) and the collision margin (Indus Suture). A lateral correlation between the Himalayan thrust system of the Hazara-Kashmir Syntaxis and those of the Indian Kashmir and of the Pakistan Hazara area has been made. The Subhlmalayan element forms the core of the Hazara Kashmir Syntaxis with the molassic. Late Paleocene to Middle Eocene Murree Formation. Older Cambrian and Paleocene rocks are exposed along the ridge of the Muzaffarabad Anticline, which is the main structural feature of this element. The Lesser Himalaya is composed of a stack of thrusted units. Characteristically the age and the metamorphic grade of these units increase northwards, where by the highest tectonic position is occupied by the oldest rocks (Salkhala Series) showing the highest metamorphic grade (upper greenschlst facies). A polyphase folded, amphlbolite facies metamorphosed basement and cover sequence belonging to the Higher Himlaya lies above an important discontinuity, which represents the continuation of the Main Central Thrust In Northeast Pakistan. The Indus Suture carried the deep crustal, mafic-ultramafic, granulitlc basal complex of the Kohistan Sequence above the Higher Himalaya and resulted in greenschlst facies. retrograde transformation in the hangingwall rocks. The structures associated with thrust tectonics are imbrication and isoclinal, recumbent folding of the rocks. Consequently all the lithotypes are permeated by a strong, first phase schistosity containing a mineral lineation which represents the tectonic X -stretching direction. All these lineations, measured in the Himalayan units and in the Kohistan Sequence at Babusar, show a NE - SW oriented direction of tectonic transport. A superimposed second deformational phase developed a large scale refolding of the structure and an associated crenulation cleavage. The second phase folds are continuously traced across all the tectonic elements, which suggests that this deformation occurred when the tectonic pile was already formed. In addition, the minerals which form the crenulation cleavage developed under lower grade

3 post SE 8 metamorphic conditions than those of the main, previous, thru sting-related deformation. The orientation of the latest phase suggest a NW - oriented compression, confirmed by the lineations found to the west in the Hazara and Indus Kohistan areas. The geometrical interference between the two deformational phases led to the doming of the Subhimalayan element and therefore to the formation of the Hazara-Kasmir Syntaxis. A series of smaller "domes and synformal basins" are also recognized northeastwards in the upper tectonic elements. The metamorphism is of Barrowian Type in both Lesser and Higher Himalayan units, and represent an inverted zoning pattern. Microtextural analysis reveals that the metamorphic peak was reached during the first, penetrative deformational phase. Features related to thrusting (quartz fabrics and retrograde mineral transformations) suggest that metamorphism and tectonics are intimately related. A model of a progressive southwards propagation of deformation best explains these observations: the deformation within the Himalayas started with the development of the Main Central Thrust and migrated across the lower tectonic units, with a changing rheologlcal behaviour and strain regime as it reached shallower and lower metamorphic crustal levels. A model for the tectonic and metamorphic evolution of the Western Himalayan Syntaxis area is proposed. It is based on the geometrical superposition of the deformational phase as detected by the small- and large-scale structures and by the* pressure-temperature history of the collected samples. The collision started in the Late Cretaceous with the development of the high pressure basement complex of the Kohistan Sequence, which has been subsequently (Eocene - Eocene) thrusted over the Himalayan realm. The nappe structure In the Higher Himlaya could therefore form under amphibollte facies conditions. The Early Miocene development or the Main Central Thrust initiated the metamorphic inverted zoning pattern, producing deformation and metamorphism in the Lesser Himalayan sequences. The folding of the Subhimalayan rocks (Muzaffarabad Anticline) could have originated during this tectono-metamorphic phase. Post- Early to Middle Eocene is the development of the Main Boundary Thrust and the anticlockwise rotation of the transport direction from the NE-SW oriented system of the Pakistan (Kohistan and Hazara). Kashmir Himalayas to the NNW-SSE one of North The gepmetrical superposition of the two transport directions produced the doming and perhaps initiated a rapid uplift of the area as early as 15 my ago. This rapid uplift preserved the inverse metamorphic pattern and brought the deepest structures of the Hazara and Nanga Parbat Syntaxes to the actual erosional level of exposition.

4 Questa 9 Riassunto In questa tesi sono principalmente discussi gll aspetti tettonicl e metamorfici della parte occidentale della catena himalayana che affiora nel NE Pakistan e nell' Azad Kashmir. L'area considerata comprende quattro elementi teltonici principal! (Subhimalaya. Lesser " Himalaya, Higher Himalaya e Kohistan Sequence l) che sono sovrascorsi a seguito della collislone, risalente al Terzlario. tra la zolla Indiana e 1'arco insulare del Kohistan. Gil elementl tettonlci sono separati da tre faglle sovrascorrenti. (Main Boundary Thrust, Main Central Thrust e Indus Suture), presentano caratteristiche stratigrafiche, strutturali e melamorfiche proprie, e sono a loro volta suddivlsibili in diverse unita tettoniche. L'assetto strutturale regionale e domlnato dalla curvatura di 160 dei lineamenti geologic! attorno ad un elemento centrale che e contemporaneamente il piu profondo (Hazara-Kashmir Syntaxis). struttura si prolunga verso nordest negli elementi tettonlci superiori (Nanga Parbat Syntaxis) e verso il margine di collisione fra Himalaya ed arco insulare del Kohistan (Indus Suture). Una correlazione laterale dell'impianto tettonico dell' area studlata con le unita equivalent! affloranti nel Kashmir indiano e nelle provincle Hazara e Kohistan del Pakistan e stata effettuata. L'elemenlo Subhimalayano forma il nucleo della Hazara-Kashmir Syntaxis e consiste principalmente nella - Murree Formation (molassa del Paleocene superiore Eocene medio). Formazioni carbonatiche piu vecchie (Cambriano e Paleocene) affiorano lungo l'anticlinale di Muzaffarabad che e anche la struttura piu importante dell' elemento Subhimalayano. L'elemento Lesser Himalaya consiste in una pila di diverse unita dove 1'eta slratigrafica ed il grado metamorfico aumentano gradatamente verso l'alto strutturale (nordest). Infatti 1' unita superiore e composta dalle rocce piu vecchie (Salkhala Series, Precambriano) che hanno subito le Irasformazioni metamorfiche di piu alto grado (facies a scisli verdi superiore) nel Lesser Himalaya. II Main Central Thrust e definito da una vistosa discontinuity tettonica caratterizzata da rocce mllonitiche di medio-alto grado metamorfico che ha reso possibile il trasporto deu'elemento Higher Himalaya al di sopra delle pelltl di basso grado del Lesser Himalaya. L'Higher Himalaya e composto da un basamento pre-permiano e dalla propria copertura alpina assieme deformati duttilmente in una struttura a falde coricate e contenenti paragenesi minerali in facies anfibolitica. La Indus Suture segna il sovrascorrimento del complesso basale, granulitico, della Kohistan Sequence al di sopra dell'higher Himalaya. Questa sutura e caratterizzata da una discordanza strutturale con gli scisti sottostanti e da trasformazloni metamorfiche retrograde in facies a scisti verdi delle granuliti del'kohistan. : Per riferimento sono state mantenute le denominazioni inglesi originali.

5 10 Le strutture associate alia tettonica di sovrascorrlmento sono, a grande scala. I'imbricazione delle sequenze rocciose ed il loro piegamento isoclinale, coricato. Alle scale minor! tutti i Iitotipi presentano una scistosita penetrativa accompagnata da una lineazione di stiramento che rappresenta la dlrezione di massima estensione (X) della deformazione finita. Queste lineazioni sono orientate NE-SW sia nelle unita Himalayane come nella Kohistan Sequece al passo di Babusar, ed indicano la dlrezione regionale del trasporto tettonico. Una seconda fase deformativa si sovrappone alia precedente creando pieghe aperte e clivagglo da crenulazione piu selettivamente distribuiti delle strutture di prima fase. Le strutture di seconda fase sono continuamente seguibili attraverso le unita tettoniche suggerendo che la loro formazlone sia awenuta dopo 1'impilamento (sovrascorrlmento) delle suddette unita. L'orientazione delle strutture di seconda fase suggerisce inoltre l'occorrenza di una tarda compressione orientata NW-SE e coerente con le dlrezloni di trasporto tettonico rllevate ad occidente dell' area studlata, nelle corrispondenll unita tettoniche dell'hazara e del Kohistan. La sovrapposizione geometrlca delle due fasl deformatlve causo lo sviluppo della struttura a duomo caratteristica deu'elemento Subhimalayano del nucleo della Hazara-Kashmir Syntaxis.' Inoltre, una serie dl duomi e bacini piu piccoli si formo a nordest. caratlerlzzando la geometria finita degli elementi tettonlci piu alti. II metamorfismo e dl tipo Barrowiano sia nel Lesser come nell'higher Himalaya ed e caratterizzato da una zonazione inversa delle facies; in altre parole, gli elementi strutturali piu alti presentano un grado metamorfico maggiore di quelli piu profondi. Analisi microlessiturali indicano che il picco del metamorfismo fu raggiunto durante la prima fase deformativa e che fu mantenuto nelle unita superior! fino a prima dello sviluppo della seconda fase. Lo studio del microabric delle vene quarzose e delle reazioni minerali associate alio sviluppo dei piani dl sovrascorrlmento. induce a ' pensare che lo sviluppo tettonico e metamorfico siano intimamente collegati. Si e quindi suggerito un modello evoluzlonale dove la propagazione progressiva della deformazione verso sudovest si accorda meglio con le osservazloni fatte. La deformazione inizio con lo sviluppo del sovrascorrlmento intercrostale del Main Central Thrust e mlgro attraverso livelli crostali piu superficiali. cambiando cosi continuamente sia in stile e regime deformazionale che In grado metamorfico. Infine e stato elaborato un modello per 1'evoluzione tettonometamorfica dell'area studiata. II modello si basa sulla sovrapposizione geometrlca delle fasl deformazlonali, come e stato dimostrato dalle strutture a piccola ed a grande scala, e sui cambiamenti di pressione e temperatura subiti ed indicati dai campioni raccolti. La collislone inizio nel Cretaceo Superiore producendo il metamorfismo ad alta pressione nel complesso basale della Kohistan Sequence. Queste rocce granulitiche sono state

6 11 susseguentemenle (Eocene, post-eocene) trasportale al di sopra della zona Himalayana, cha ha cosi subito, nei livelli crostali piu profondi che si sono oggi preservati nell' Higher Himalaya, un metamorfismo in facies anfibolitica. In una fase successiva (Miocene inferiore). il Main Central Thrust si formo causando la dlsposlzione inversa del grado metamorfico inverso nelle sequenze del Lesser Himalaya. La deformazione nell'elemento Subhimalayano produsse 1'anticlinale di Muzaffarabad che solo in un secondo tempo fu tranciata dal Main Boundary Thrust. Questo sovrascorrimento si formo per ultimo durante la fase di trasporto tettonico verso sudovest. L' ultima fase tetlono-metamorfica (posl-miocene inferiore-medio) corrisponde alia rolazione antioraria della direzione di trasporto tettonico che si orlento stabllmente a NNW-SSE come mostralo ad occidente dell'area studiata. La. sovrapposizione geometrlca delle due fasi deformazionall, che causo la struttura a duomo. puo forse essere messa in relazione con II rapido innalzamento dell'area awenuto negli ultimi 15 milioni di anni, e quindi con la preservazione dell'impianto metamorfico inverso e con il denudamento delle strutture profonde rappresenlale Kashmir e del Nanga Parbat. dalle due sinlassi dell' Hazara-