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Doctoral Thesis

Tectonics and metamorphism in the Western Himalayan syntaxisarea (Azad Kashmir, NE-Pakistan)

Author(s): Greco, Antonio Marco

Publication Date: 1989

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000577801

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ETH Library

Diss. ETH No. 8779

Tectonics and Metamorphism

in theWestern 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

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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

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metamorphic conditions than those of the main, previous ,thrusting-related

deformation. The orientation of the latest phase suggest a NW - SE 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 - post 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 Kashmir Himalayas to the NNW-SSE one of North

Pakistan (Kohistan and Hazara). 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.

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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) . Questa 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 .

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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

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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 dalle due sinlassi dell' Hazara-

Kashmir e del Nanga Parbat.