INVESTIGATION OF GLACIAL RETREAT, TERRACE ABANDONMENT, AND CATCHMENT-WIDE DENUDATION RATES IN THE VAKHSH CATCHMENT, TAJIKISTAN Dissertation DER MATHEMATISCH-NATURWISSENSCHAFTLICHEN FAKULTÄT DER EBERHARD KARLS UNIVERSITÄT TÜBINGEN ZUR ERLANGUNG DES GRADES EINES DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN (Dr. rer. nat.) VORGELEGT VON ELENA GRIN AUS SCHYTOMYR/UKRAINE TÜBINGEN 2019 Gedruckt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen. Tag der mündlichen Qualifikation: 25.10. 2019 Dekan: Prof. Dr. Wolfgang Rosenstiel 1. Berichterstatter: Prof. Todd A. Ehlers 2. Berichterstatter: Prof. Ronny Schönberg Ich erkläre hiermit, dass ich die zur Promotion eingereichte Arbeit mit dem Titel „Investigation of Glacial Retreat, Terrace Abandonment, and Catchment-wide Denudation Rates in the Vakhsh Catchment, Tajikistan“ selbstständig verfasst, nur die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt und wörtlich oder inhaltlich übernommene Stellen (alternativ: Zitate) als solche gekennzeichnet habe. Ich erkläre, dass die Richtlinien zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis der Universität Tübingen (Beschluss des Senats vom 25.05.2000) beachtet wurden. Ich versichere an Eides statt, dass diese Angaben wahr sind und, dass ich nichts verschwiegen habe. Tubingen, den 18.02.2020 Ort, Datum Unterschrift ABSTRACT Abstract The development of the Vakhsh catchment is linked to the tectonic development of the Pamir during the India-Asia collision. The northward motion of the Pamir block relative to Eurasia, as well as its uplift and shortening, confined the Vakhsh River system between the western Tian Shan and the Pamir along the Pamir Thrust System deformation zone (PTS). The northern Pamir overthrusts the western Tian Shan and the Alai Valley experiences shortening along the PTS. At the present, the Vakhsh catchment drains two orogens along a thrust system and provides an opportunity for understanding denudation associated with plate convergence. During the Quaternary, the Vakhsh River catchment experienced changes in climatic conditions such as Quaternary glaciation and the Holocene thermal optimum, which caused fluctuations in sediment supply and water discharge. This study investigates the timing of glaciation, terrace formation as well as modern and paleo-denudation rates in the context of the tectonic and paleo-climatic conditions of the region. Glacial deposits, such as moraines, are archives that record advance and retreat cycles driven by climate change. Collecting spatial and temporal data about glaciations is essential for the reconstruction of both, the regional and global timing of ice ages and climate change. The investigation of glacial extent and timing in the Vakhsh River catchment was addressed by studying the glacial deposits near the former terminus of the Fedchenko Glacier. The Fedchenko Glacier is particularly important for understanding the glacial chronology in Central Asia, because it is the longest (~72 km) glacier outside the Polar Regions and the timing of its advance and retreat may be representative for the climate evolution of the Westerly-dominated Central Asia region. The present-day climate is dominated by the Mid-Latitude Westerlies and supplies the region with 400 – 1,000 mm annual precipitation. The present-day mean annual temperatures range between -6.7 and 12 ˚C. Inter alia, the interaction between precipitation and temperature induces flooding and increases mass movement events during snow melt. To understand and I ABSTRACT quantify the temporal and spatial influence of climate and tectonics on the evolution of mountain belts and the fluvial systems within is of a major importance for human existence in this challenging environment. To target the timing and possible causes for fluctuations in sediment supply, I investigated a flight of fluvial terraces along the main trunk. The incision into the investigated terraces started at Holocene times ~ 3 ka ago and was accompanied by high incision rates of 4 – 29 mm/yr. The paleo- denudation rates associated with the terraces range between 1.75 ± 0.41 mm/yr and 2.01 ± 0.36 mm/yr. The modern denudation rates cover the same magnitude (1.28 ± 0.16 – 1.94 ± 0.26 mm/yr) along the main trunk. The investigation of the tributaries yielded the greatest variation in modern denudation rates in the western Tian Shan tributaries (0.18 ± 0.02 mm/yr to 2.05 ± 0.27 mm/yr). The Alai Valley displays an intermediate signal of 1.14 ± 0.14 mm/yr and the northern Pamir tributaries display rates (1.78 ± 0.23 mm/yr and 1.63 ± 0.21 mm/yr) at the higher end of the spectrum. Additionally 26Al/10Be ratios were used to test, whenever the tributaries are prone to store or mix fresh sediment with shielded material. The results indicate no immediate storage or mixing (26Al/10Be ratios: 6.0 ± 1.0 to 7.6 ± 1.2), except for one western Tian Shan catchment (26Al/10Be ratio: 5.2 ± 0.5). II ZUSAMMENFASSUNG Zusammenfassung Der geologische Werdegang des Pamir während der Indien-Eurasien- Kollision beeinflusste maßgeblich die Entwicklung des Einzugsgebiets des Flusses Vakhsh. Die nordwärts gerichtete Verschiebung des Pamirblocks relativ zu Eurasien, dessen Hebung und Verkürzung, positionierten den Vakhsh zwischen dem westlichen Tian Shan und dem nördlichen Pamir entlang der Deformationszone des PTS (Pamir Thrust System), an der sich der nördliche Pamir über den westlichen Teil des Tian Shan schiebt. Gegenwärtig repräsentiert der Fluss Vakhsh ein aktives Beispiel eines Flusses, der zwischen zwei Gebirgszügen gefangen, entlang einer Deformationszone entwässert. Dieser Umstand bietet die Gelegenheit, die Denudation beider Gebirgszüge im Zusammenhang mit der intrakontinentalen Deformationszone zu untersuchen. Ferner umschließt das über 39 000 km2 große Einzugsgebiet des Vakhsh mehrere Landschaftsformen, wie die beiden Gebirgszüge westlicher Tian Shan und nördlicher Pamir, aber auch das Alai- Tal und die Tadschikische Depression. Im Quartär unterlag das Einzugsgebiet des Vakhsh mehreren Klimaschwankungen. Sowohl das Quartäre Eiszeitalter als auch das Holozäne Optimum verursachten Fluktuationen in Sedimentzufuhr und Abflussvolumen. Die Ziele der vorliegenden Arbeit sind die Bestimmung a) des Zeitpunktes des Gletschervorstoßes während des Quartärs, b) des Beginns der Inzision in die Terrassenablagerungen entlang des Hauptstroms und c) der zeitlichen und räumlichen Evolution der Denudationsraten im Kontext des tektonischen Umfelds und der Klimageschichte der Region. Glaziale Ablagerungen, wie etwa Moränen, können herangezogen werden, um klimatisch bedingte Vergletscherungszyklen zu datieren. Die Rekonstruktion von Vergletscherungszyklen auf einer regionalen Skala und deren Korrelation mit globalen Daten ist unabdingbar für das Verständnis der Klimageschichte. Um den Zeitpunkt und die Ausdehnung der letzten großen Vergletscherung im Einzugsgebiet des Vakhsh zu bestimmen, wurden Proben von glazialen Ablagerungen in der Umgebung des ehemaligen Terminus des Fedchenko Gletschers entnommen. Dieser Gletscher nimmt insofern eine wichtige Rolle III ZUSAMMENFASSUNG ein, dass er aufgrund seiner Ausdehnung (~72 km) der längste Gletscher außerhalb der Polarregion ist. Die Chronologie seines Rückzugs könnte exemplarisch sein für das in der Westwindzone gelegene Zentralasien. Die Westwinde versorgen das Einzugsgebiet des Vakhsh mit 400 – 1.000 mm Niederschlag pro Jahr. Die gegenwärtigen Temperaturen erreichen monatliche Durchschnittswerte von -6,7 ˚C bis 12˚C. Das Zusammenspiel zwischen Niederschlag und Temperatur resultiert in gehäuft auftretenden Hangrutschungen und Flutereignissen während der Schneeschmelze. Das Verstehen und Quantifizieren der Konsequenzen von Klima und Tektonik auf die Entstehung von Flusssystemen in Gebirgen ist von großer Wichtigkeit für die menschliche Existenz unter solch herausfordernden Bedingungen. Um mögliche Ursachen und das Timing von Sedimenteintragsfluktuationen zu ergründen, wurde eine Terrassensequenz entlang des Hauptflusses untersucht. Das Einschneiden in die Terrassensedimente begann währen des Holozäns, vor etwa 3 ka und ging mit hohen Einschneidungsraten einher (4 - 29 mm/Jahr). Die mit der Terrassensequenz assoziierten Palaeo-Denudationsraten liegen zwischen 1,75 ± 0,41 mm/Jahr und 2,01 ± 0,36 mm/Jahr. Die modernen Denudationsraten entlang des Haupstroms liegen mit 1,28 ± 0,16 – 1,94 ± 0,26 mm/Jahr in derselben Größenordnung. Die Untersuchung der Zuflüsse zeigt, dass die größte Variation in den Denudationsraten bei den Zuflüssen im Tian Shan liegt (0,18 ± 0,02 mm/Jahr bis 2,05 ± 0,27 mm/Jahr). Das Alai-Tal nimmt mit 1,14 ± 0,14 mm/Jahr eine intermediäre Stellung ein und die Zuflüsse des nördlichen Pamir weisen Denudationsraten von 1,78 ± 0,23 mm/Jahr und 1,63 ± 0,21 mm/Jahr auf. Zusätzlich wurden 26Al/10Be Verhältnisse gemessen, um eventuell vorhandene Abschirmung und Ablagerung der Flusssedimente nachvollziehen zu können. Die Resultate weisen keine solchen Signale auf (6,0 ± 1,0 bis 7,6 ± 1,2), außer im Falle eines Zuflusses aus dem Tian Shan (5,2 ± 0,5). IV TABLE OF CONTENTS Table of Contents Abstract .................................................................................................................................. I Zusammenfassung ............................................................................................................ III I Acknowledgments .................................................................................................. VIII II Publication of Data ...................................................................................................