Fault interaction at different time- and length scales : the North Tehran thrust and Mosha-Fasham fault (Alborz mountains, Iran)

• Main Author: Landgraf, Angela
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2010
• Subjects: Störungsinteraktion; Tektonische Geomorphologie; Kosmogene Nuklide; Elburs; Iran; Fault interaction; Tectonic geomorphology; Cosmogenic nuclides; Alborz; Earth sciences
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-50800; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2011/5080/

The seismically active Alborz mountains of northern Iran are an integral part of the Arabia-Eurasia collision. Linked strike-slip and thrust/reverse-fault systems in this mountain belt are characterized by slow loading rates, and large earthquakes are highly disparate in space and time. Similar to other intracontinental deformation zones such a pattern of tectonic activity is still insufficiently understood, because recurrence intervals between seismic events may be on the order of thousands of years, and are thus beyond the resolution of short term measurements based on GPS or instrumentally recorded seismicity. This study bridges the gap of deformation processes on different time scales. In particular, my investigation focuses on deformation on the Quaternary time scale, beyond present-day deformation rates, and it uses present-day and paleotectonic characteristics to model fault behavior. The study includes data based on structural and geomorphic mapping, faultkinematic analysis, DEM-based morphometry, and numerical fault-interaction modeling. In order to better understand the long- to short term behavior of such complex fault systems, I used geomorphic surfaces as strain markers and dated fluvial and alluvial surfaces using terrestrial cosmogenic nuclides (TCN, 10Be, 26Al, 36Cl) and optically stimulated luminescence (OSL). My investigation focuses on the seismically active Mosha-Fasham fault (MFF) and the seismically virtually inactive North Tehran Thrust (NTT), adjacent to the Tehran metropolitan area. Fault-kinematic data reveal an early mechanical linkage of the NTT and MFF during an earlier dextral transpressional stage, when the shortening direction was oriented northwest. This regime was superseded by Pliocene to Recent NE-oriented shortening, which caused thrusting and sinistral strike-slip faulting. In the course of this kinematic changeover, the NTT and MFF were reactivated and incorporated into a nascent transpressional duplex, which has significantly affected landscape evolution in this part of the range. Two of three distinctive features which characterize topography and relief in the study area can be directly related to their location inside the duplex array and are thus linked to interaction between eastern MFF and NTT, and between western MFF and Taleghan fault, respectively. To account for inferred inherited topography from the previous dextral-transpression regime, a new concept of tectonic landscape characterization has been used. Accordingly, I define simple landscapes as those environments, which have developed during the influence of a sustained tectonic regime. In contrast, composite landscapes contain topographic elements inherited from previous tectonic conditions that are inconsistent with the regional present-day stress field and kinematic style. Using numerical fault-interaction modeling with different tectonic boundary conditions, I calculated synoptic snapshots of artificial topography to compare it with the real topographic metrics. However, in the Alborz mountains, E-W faults are favorably oriented to accommodate the entire range of NW- to NE-directed compression. These faults show the highest total displacement which might indicate sustained faulting under changing boundary conditions. In contrast to the fault system within and at the flanks of the Alborz mountains, Quaternary deformation in the adjacent Tehran plain is characterized by oblique motion and thrust and strike-slip fault systems. In this morphotectonic province fault-propagation folding along major faults, limited strike-slip motion, and en-échelon arrays of second-order upper plate thrusts are typical. While the Tehran plain is characterized by young deformation phenomena, the majority of faulting took place in the early stages of the Quaternary and during late Pliocene time. TCN-dating, which was performed for the first time on geomorphic surfaces in the Tehran plain, revealed that the oldest two phases of alluviation (units A and B) must be older than late Pleistocene. While urban development in Tehran increasingly covers and obliterates the active fault traces, the present-day kinematic style, the vestiges of formerly undeformed Quaternary landforms, and paleo earthquake indicators from the last millennia attest to the threat that these faults and their related structures pose for the megacity. === Das seismisch aktive Elburs Gebirge im Nordiran ist Bestandteil der Arabisch-Eurasischen Kollisionszone. Gekoppelte Blattverschiebungs- und Überschiebungssysteme dieses Gebirges zeichnen sich durch geringe Spannungsaufbauraten aus. Dementsprechend treten große Erdbeben räumlich und zeitlich weit verteilt voneinander auf und Wiederkehrperioden solcher Erdbeben können tausende von Jahren dauern und wurden noch nicht von kurzzeitigen Messmethoden, wie GPS oder instrumenteller Seismologie erfasst. Diese Arbeit überbrückt verschiedene Zeitskalen. Diese Studie beinhaltet insbesondere Auswertungen struktureller und geomorphologischer Kartierungen, störungskinematische Analysen, auf digitalen Höhenmodellen basierende Morphometrie und numerische Modellierung von Störungsinteraktion. Um das lang- und kurzfristige Verhalten solcher komplexen Schwächezonen besser zu verstehen, benutze ich geomorphologische Oberflächen als Deformationsmarker und datiere alluviale und fluviatile Oberflächen mittels kosmogener Nuklide (TCN, 10Be, 26Al, 36Cl) und optisch stimulierter Lumineszenz (OSL). Mein Untersuchungsgebiet umfasst die seismisch aktive Mosha-Fasham Störung (MFF) und die als seismisch quasi inaktiv geltende Nordteheranstörung (NTT), die sich in unmittelbarer Nähe zum Teheraner Ballungsgebiet befinden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Deformationfeld mit der Zeit verändert hat. Die störungskinematischen Daten haben ergeben, dass NTT und MFF bereits seit einer früheren dextral-transpressionalen Phase unter NW-gerichteter Einengung mechanisch gekoppelt sind. Dieses System wurde von pliozäner und bis heute andauernder NE-gerichteter Einengung ersetzt, woraufhin sich Überschiebungen und linkslaterale Blattverschiebungen herausbildeten. Während dieses kinematischen Wechsels wurden NTT und MFF reaktiviert und in ein beginnendes transpressionales Duplexsystem eingebunden, welches die Landschaftentwicklung in diesem Teil des Gebirges signifikant beeinflusst hat. Zwei von drei ausgeprägten topographischen Besonderheiten des Untersuchungsgebietes können direkt mit deren Lage in der Duplexanordnung in Verbindung gebracht werden und spiegeln Interaktion zwischen den östlichen Segmenten von NTT und MFF, bzw., zwischen dem westlichen Segment der MFF und der parallelen Taleghan Schwächezone wider. Um diejenige Topographie auszuweisen, die möglicherweise aus der vorhergehenden Phase vererbt wurde, wurde ein neues Konzept tektonischer Landschaftscharakterisierung benutzt. Einfache Landschaften sind unter dem Einfluß gleichbleibender tektonischer Randbedingungen entstanden. Dagegen enthalten zusammengesetzte Landschaften vererbte Elemente vergangener tektonischer Randbedingungen, die mit dem heutigen Spannungsfeld und kinematischen Stil unvereinbar sind. Mittels numerischer Störungsinteraktionsmodellierungen teste ich verschiedene Randbedingungen und berechne synoptische Momentaufnahmen künstlicher Topographie um sie mit reellen topographischen Maßen zu vergleichen. Im Elburs Gebirge treten allerdings auch E-W streichende Schwächezonen auf, die so günstig orientiert sind, dass sie Verformung unter der gesamten Einengungsspanne von Nordwest nach Nordost zeigen. Diese weisen den höchsten totalen Versatz auf. Hier tritt das Grundgebirge zutage und wird versetzt, was, wie die Modellierungen vermuten lassen, auf langanhaltende Verformung unter sich ändernden Randbedingungen hinweisen kann. Quartäre Deformation in der benachbarten Teheran Ebene ist durch Schrägbewegungen, Überschiebungen und Blattverschiebungssyteme gekennzeichnet, die typischerweise in Auffaltungen entlang von Hauptstörungen, vereinzelten Blattverschiebungen und en-échelon Anordnungen untergeordneter oberflächlicher Überschiebungen resultieren. Junge Deformation tritt auf, die Hauptbewegungen fanden allerdings im frühen Quartär und wahrscheinlich späten Pliozän statt. TCN-Datierungen, die erstmalig an geomorphologischen Oberflächen in der Teheran Ebene durchgeführt wurden, ergeben dass die beiden älteren Sedimentationsphasen (Einheiten A und B) älter sind als spätes Pleistozän. Obwohl die urbane Entwicklung im Teheraner Ballungsraum die aktiven Störungslinien zunehmend verdeckt und ausradiert, zeugen der heutige kinematische Stil, die Überreste ehemals unverstellter Quartärer Landschaftsformen und Hinweise auf Paläoerdbeben während der letzten Jahrtausende von der Gefahr, die diese Schwächezonen für die Megastadt bedeuten.