31
1 1 Title 2 3 Exhumational history of the Karakul graben, Tajikistan 4 5 6 7 Authors 8 William H. Amidon 1 , Scott A. Hynek 2 9 10 11 Author Affiliations 12 13 1. California Institute of Technology, GPS Division, MS 100-23, Pasadena, CA 91125 14 2. University of Utah, Department of Geology and Geophysics, 135 S. 1460 E, Salt Lake 15 City, UT 84112 16 17 18 19 20 21 Corresponding Author 22 William H. Amidon 23 Email: [email protected] 24 Phone: 6263952190 25 26 27

Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

  • Upload
    others

  • View
    8

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

 1 

Title 2 

 3 

Exhumational history of the Karakul graben, Tajikistan 4 

 5 

 6 

 7 

Authors 8 

William H. Amidon1, Scott A. Hynek2 9 

 10 

 11 

Author Affiliations 12 

 13 

1. California Institute of Technology, GPS Division, MS 100-23, Pasadena, CA 91125 14 2. University of Utah, Department of Geology and Geophysics, 135 S. 1460 E, Salt Lake 15 

City, UT 84112 16  17 

 18 

 19 

 20 

 21 

Corresponding Author 22 

William H. Amidon 23 

Email:  [email protected] 24 

Phone: 626‐395‐2190 25 

 26 

 27 

Page 2: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

Abstract 28 

The Pamir plateau forms a prominent tectonic indentation along the western end of the Tibet‐29 

Tarim margin, where ~75 km thick crust has advanced as much as 300 km northward over the Eurasian 30 

margin.  Indentation of the Pamir is partially accommodated by two of Asia’s largest strike‐slip faults, 31 

the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of the Pamir 32 

indentor.  Despite its tectonic significance, relatively little is known about the timing of major Cenozoic 33 

tectonic events in the Pamir.   We present new apatite and zircon (U/Th)‐He ages, bulk‐rock 34 

geochemistry and Al‐in‐hornblende barometry results from the Karakul graben in the north‐central 35 

Pamir.   The Karakul graben is a prominent north‐south oriented rift basin sitting ~50 km south of the 36 

Main Pamir Thrust, and ~150 km west of the Kongur Shan extensional system.  Cooling ages and 37 

thermobarometry results suggest that relatively slow exhumation throughout much of the late Mesozoic 38 

and Cenozoic was punctuated by two periods of accelerated exhumation between ~55‐40 Ma, and 24‐39 

16 Ma.  We interpret the first period of rapid exhumation (~0.55 m/my) as a result of accelerated 40 

tectonic uplift and subsequent erosion due to the northward propagation of the India‐Asia collision.  41 

Based on the pattern of cooling ages, we attribute the second period of rapid exhumation (0.6‐0.8 42 

m/my) to the onset of extensional faulting in the Karakul graben.  Early Miocene extension predates that 43 

previously inferred for nearby extensional systems, and suggests that rifting may not have been caused 44 

by radial thrusting or oroclinal bending of the Pamir margin.  Instead, we suggest that extension may 45 

have been coincident with early activity along the Karkoram and Altyn Tagh faults, both of which may 46 

once have terminated near the Karakul graben. 47 

 48 

 49 

 50 

 51 

 52 

 53 

 54 

Page 3: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

1. Introduction 55 

  The Tibetan plateau is a semi‐rigid block bound by active orogens along its boundaries with 56 

Eurasia to the north and with the Indian subcontinent to the south.  Along the southern margin, India‐57 

Asia convergence is accommodated by the thrust sheets of the Himalayan chain, and to the north by a 58 

more disparate series of mountain belts including the Qilian Shan, Kunlun Shan, Tian Shan, and Pamir.   59 

Although the onset of India‐Asia collision is well documented at ~55‐50 Ma, many questions remain 60 

regarding how and when tectonic deformation propagated northward, thickening the Tibetan Plateau 61 

and driving orogenesis along its northern edge [Hodges, 2000; Yin and Harrison, 2000].   62 

The Pamir mountains lie along the western end of the Tibet‐Tarim margin, where ~ 20 mm/yr of 63 

India‐Asia convergence is accommodated across a relatively narrow zone of north‐vergent thrust 64 

faulting [Arrowsmith and Strecker, 1999; Reigber et al., 2001; Strecker et al., 2003].  In map view, the 65 

Pamir create a prominent oroclinal arc, mimicking the shape of the western Himalayan syntaxis 66 

immediately to its south.  A variety of ideas have been put forward to understand how this tectonic 67 

indentation has evolved and its implications for deformation of the western Tibetan plateau.   Early 68 

observations suggested that large offsets on the Karakoram fault transferred strain to E‐W oriented  69 

thrust faults within the Pamir [Burtman and Molnar, 1993; Peltzer and Tapponnier, 1988].   More recent 70 

evidence suggests  that total offsets along the Karakoram fault are moderate, and  that the Pamir 71 

indentation is caused by oroclinal bending accommodated by strike‐slip faulting along  terrane 72 

boundaries, vertical block rotation, and extensional faulting within terranes [Raterman et al., 2007; 73 

Robinson, 2009; Robinson et al., 2007; Schwab et al., 2004] .  Answering these questions requires a basic 74 

chronology of when extensional faulting began in relation to strike‐slip faulting and crustal shortening in 75 

within the Pamir. 76 

  In this paper, we discuss the thermal and tectonic history of the Karakul basin, one of the most 77 

prominent physiographic features of the northern Pamir.  Understanding the history of this relatively 78 

simple extensional feature provides clues to the regional tectonic context at the time of its formation.  79 

Early work proposed that the basin was an impact structure, citing shock quartz on the central island 80 

[Gurov et al., 1993].  More recent studies, including this one, suggest that the basin is actually an 81 

extensional rift basin that is currently experiencing NW‐SE directed transtensional deformation [Blisniuk 82 

and Strecker, 1997; Strecker et al., 1995].  We present new apatite and zircon (U/Th)‐He cooling ages 83 

from the Karakul basin in an effort to document the timing of extension.  Our results show relatively 84 

slow cooling since ~220 Ma punctuated by two episodes of rapid cooling and exhumation  between  85 

Page 4: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

~55‐40 Ma and ~24‐16 Ma.  We interpret the first period of rapid exhumation as an erosional response 86 

to tectonic uplift associated with the early stages of the India‐Asia collision.  We discuss the second 87 

period of rapid exhumation using two end‐member hypotheses: 1) cooling ages record rapid erosion in 88 

response to continued tectonic thickening above the Main Pamir Thrust, or 2) that the rapid cooling 89 

beginning at ~24 Ma records the onset of extensional faulting.   We favor the latter hypothesis and 90 

propose a mechanism by which early slip along the Altyn Tagh and Karakoram strike‐slip faults 91 

accommodates extension in the Karakul basin.  92 

 93 

2. Geological Setting 94 

The Pamir mountains are composed of Paleozoic‐ Mesozoic accreted terranes that are deflected 95 

northward from their continuations across Afghanistan and Tibet [Yin and Harrison, 2000].   Although 96 

correlation of these terranes is much debated, we adopt the idea that the Northern Pamir terrane 97 

correlates with the Songpan‐Garze terrane, and  the Southern Pamir with the Qiantang terrane 98 

[Robinson, 2009; Schwab et al., 2004; Yin and Harrison, 2000].   This correlation is most convincingly 99 

supported by the data of Schwab et al. (2004), who identify a continuous chain of ~200 Ma plutons with 100 

similar geochemical characteristics wrapping around the Pamir from the Karakul Basin, through the Muji 101 

basin and into the Mazar region of the western Kunlun (Figure 1).   Based on bulk‐rock geochemistry, 102 

they divide these late Jurassic plutons into the Kunlun magmatic arc (north of the Kunlun suture), and 103 

the Karakul‐Mazar belt (south of the Kunlun suture).  We present additional geochemical data 104 

supporting the correlation of the Karakul and Mazar granites, suggesting that the Karakul graben sits 105 

south of the Kunlun suture.  106 

Late Cenozoic tectonics  of the eastern Pamir (Figure 1) are dominated by: 1) northward 107 

thrusting of the Pamir ‐Alai range over the Eurasian margin along the Main Pamir Thrust (MPT), 2) east‐108 

west extension along the Kongur Shan extensional systems, and 3) strike‐slip motion along the 109 

westernmost extensions of the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax  systems.   The MPT is a complex 110 

structural feature, which originated as a Paleozoic suture, and has likely experienced several episodes of 111 

shortening since that time.  Observations from deep exposures in the Kongur Shan region document the 112 

growth of ramp‐thrust anticlines above the MPT during the Cenozoic, with a large increase in the growth 113 

of metamorphic garnet beginning at ~45 Ma [Robinson et al., 2007].   In contrast, the sedimentary 114 

record in the Alai valley suggests N‐S shortening was broadly distributed during the Eocene and 115 

Page 5: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

Oligocene before becoming focused along  the modern MPT around middle Miocene time [Coutand et 116 

al., 2002].  Uplift and exhumation appear to have intensified along the western part of the MPT during 117 

the early Miocene as recorded by apatite fission track cooling ages near the Kumtag thrust [Sobel and 118 

Dumitru, 1997].   119 

Northward advancement of the Pamir salient was partially accommodated by right‐lateral slip 120 

along the Karakoram fault system which runs >1000 km from northern Pakistan.  Estimates for the 121 

timing of initiation along the southern part of the fault range from <13 Ma [Murphy et al., 2000], to 13‐122 

15 Ma [Phillips et al., 2004], to  25‐22 Ma,  or possibly older [Lacassin et al., 2004; Valli et al., 2008].  At 123 

its northern termination the Karakoram fault appears linked to a horsetail pattern of strike‐slip faults, 124 

some linked with thrust faults in the Rushan‐Pshart zone [Burtman and Molnar, 1993; Searle, 1996; 125 

Strecker et al., 1995].   Offsets of the Aghil limestone suggest a total displacement of ~160 km along the 126 

northern section of the Karakoram [Robinson, 2009].   A second major strike‐slip fault, the Karakax fault, 127 

extends westward from the Altyn Tagh system before turning northward and running sub‐parallel to the 128 

Karakoram fault along the eastern flank of the Pamir salient.   The Altyn Tagh/Karakax system has 129 

accumulated  > 400 km of total offset [E. Cowgill et al., 2003; Ritts and Biffi, 2000; Yin and Harrison, 130 

2000].  Paleomagnetic data from sediments along the Altyn Tagh suggest initiation ~24 Ma based on 131 

little observed rotation prior to that time [Chen et al., 2002]. If Quaternary slip rates of ~10‐25 mm/yr 132 

are extrapolated over the lifetime of the fault, they suggest initiation sometime between ~15‐45 Ma [E. 133 

Cowgill et al., 2003; E.  Cowgill et al., 2009; Meriaux et al., 2004].   134 

The Karakul graben is often discussed in the context of three other normal fault systems (Muji, 135 

Kongur Shan, and Tashkurgan) that collectively accommodate extension along the northern and eastern 136 

margins of the Pamir plateau.  The northernmost Muji graben appears to be oblique, and perhaps linked 137 

to the northern edge of the Karakul graben by way of the right‐lateral Markansu fault [Strecker et al., 138 

1995].   The Kongur Shan system is primarily oriented north‐south, making an arcuate bend where it 139 

bounds the Mustagh‐Ata massif and terminating near the northern end of the Tashkurgan valley 140 

[Robinson et al., 2007].   The Karakul graben may also be linked to the Kongur Shan and Tashkurgan 141 

systems by the right lateral Rangkul strike‐slip fault.  The onset of extension along the Kongur Shan 142 

system has been inferred to be ~7‐8 Ma based on 40Ar/39Ar cooling ages and on the youngest ages of 143 

matrix‐sited monazite [Robinson et al., 2004; 2007].   Extension has proceeded rapidly since the late 144 

Miocene, producing  40Ar/39Ar muscovite ages as young as 2 Ma  [Arnaud et al., 1993], and accumulating 145 

a maximum of 35 km of east‐west extension which decreases to the south [Brunel et al., 1994; Robinson 146 

Page 6: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

et al., 2004; 2007].    Several ideas have been suggested to explain extension around Kongur Shan and 147 

Karakul including; orogenic collapse due to gradients in crustal thickness, radial thrusting and/or 148 

oroclinal bending of the Pamir, and transfer of strain from the Karakoram fault [Ratschbacher et al., 149 

1994; Robinson et al., 2004; Strecker et al., 1995; Yin et al., 2001].   150 

The Karakul graben itself is a ~50 km wide depression bounded by steep north‐south oriented 151 

flanks with a total relief of >1500 m.  The graben sits atop ~75 km thick crust, whose uppermost section 152 

is composed of strongly folded and faulted Paleozoic meta‐sediments intruded by latest Triassic 153 

granodiorites [Romanko, 1968; Schwab et al., 2004].  Near the northern and southern ends of the lake, 154 

prominent fault scarps and earthquake focal mechanisms reveal oblique slip vectors, suggesting that the 155 

lake is currently undergoing a trans‐tensional stress regime [Blisniuk and Strecker, 1997; Strecker et al., 156 

1995].   At its widest point, the eastern flank of the graben does not exhibit active normal fault scarps, 157 

although its linear shape, steep relief, and sediment‐laden footwall are indicative of normal faulting.   158 

The primary evidence for normal faulting along the western flank is derived from recent fault scarps to 159 

the north and south, and from the steep bedrock slopes plunging directly into the lake.   The steep linear 160 

flanks of the central island suggest a horst separating two grabens, although there is no direct evidence 161 

for normal faulting.  The only existing thermochronology results from the Karakul basin are apatite 162 

fission‐track ages ranging from ~24‐17 Ma, which are mentioned in an abstract [Schwab et al., 1999]. 163 

 164 

3. Methods 165 

Samples were collected from four vertical transects of granodiorites containing plagioclase > 166 

quartz >biotite ± K‐feldspar ± muscovite, with abundant zircon, apatite, epidote and titanite occurring as 167 

accessory phases.  The petrology of the NE profile differed significantly from the others, and is 168 

presented in online table 3.  Sample TAJ93 from the NE profile is a hornblende‐diorite, whereas samples 169 

TAJ96 and TAJ102 are garnet bearing granodiorites with > 1 cm sized garnets in sample TAJ96.  170 

Inclusion‐free apatites and zircons were hand‐picked, and measured in all three dimensions.  Alpha 171 

ejection correction factors (Farley et al. 1996) were computed from length and mean width.  Apatites 172 

were analyzed for He, U, and Th following published procedures [House et al., 2000].  Zircons were 173 

degassed for helium analysis by lasing inside of sapphire micro‐furnaces with removable cover pieces for 174 

easy removal of grains following lasing.  The micro‐furnaces  were heated to ~1510 °C for 12 minutes, 175 

and helium re‐extracts typically yielded <1% of the primary extraction.  Helium blanks were consistently 176 

Page 7: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

less than 0.1% of sample concentrations for apatite, and even less for zircon.  Zircons were then 177 

transferred into parr bomb capsules and spiked for measurement of U and Th by isotope dilution.  Parr 178 

bomb dissolution proceeded by dissolving samples in HF at 220 °C for 48 hours, drying down and 179 

redissolving in 6 N HCL for 24 hours, followed by a final dry‐down and redissoluton in a 5% nitric acid 180 

solution for ICP‐MS analysis.   Blanks achieved by this method were typically ~3 pg of U and ~20 pg of Th, 181 

representing < 0.1% of measured U and <3% of measured Th in all samples.  Seven replicate analyses, 182 

each consisting of multiple Durango apatite grains yielded a mean age of 32.5 ± 1 My [K. A. Farley, 2000; 183 

Young et al., 1969].  Three replicate analyses of single zircon grains from the Fish Canyon tuff yielded a 184 

mean age of 27.7 ± 1.5 My [P. W. Reiners et al., 2002; Renne et al., 1994].   Complete datasets are 185 

available in online tables 1 and 2. 186 

Compositional analyses on individual mineral phases were made on polished rock sections using 187 

the JEOL JXA‐8200 electron microprobe at Caltech.  Bulk rock geochemical analyses were made at 188 

Michigan State University on samples from the three different profiles, as well as a fourth sample from a 189 

basaltic dike (sample P916‐1).  For each profile, a fist‐sized piece of rock was taken from each sample in 190 

the profile, amalgamated by powdering and then fused into a single glass disk.  Major element analyses 191 

were made using a Bruker S4 Pioneer XRF instrument, whereas trace elements and REE’s were analyzed 192 

by LA‐ICP‐MS using a 266 nm Nd:YAG laser coupled to a Micromass hexapole ICP‐MS. 193 

 194 

4. Results 195 

Single grain apatite and zircon (U/Th)‐He ages are presented from all four vertical transects, and 196 

from three additional sites near lake level (Table 1; online tables 1 and 2).    Ages are calculated 197 

following the standard age equation, including decay of Sm for apatite, but not for zircon.  Ages are 198 

adjusted for alpha‐ejection using FT factors calculated following Farley et al. (1996), which ranged from 199 

0.77‐0.85 for apatite and 0.8‐0.9 for zircon.   Because only ~3 individual grain analyses were performed 200 

per sample, it is difficult to assign an external reproducibility for each sample.  Instead, we determine a 201 

single standard deviation for the entire population by normalizing each analysis by its mean sample age.  202 

This procedure gives ~ 7% standard deviation for both apatite and zircon analyses, which we adopt as 203 

the uncertainty on all ages.  One major exception are six apatite analyses from sample P918‐1, which 204 

reproduce very poorly and are not included in the population‐wide standard deviation.  Interestingly, 205 

this is the only sample that exhibits a shear fabric, suggesting that the poor reproducibility could be due 206 

Page 8: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

to thermal disturbance, micro‐inclusions, or lattice damage acquired during shearing.  Two additional 207 

analyses P919‐3a (apatite) and P916‐4c (zircon) are also assumed to be outliers and are included in the 208 

population‐wide standard deviation, but not in their respective sample means.   209 

Our youngest apatite ages cluster between ~19‐15 Ma, and are obtained on the two northern 210 

profiles, as well as the bottom of the SE profile.  All apatite ages on the two northern profiles are within 211 

2σ error of the other ages from the same profile.  Another group of apatite ages cluster between ~44‐33 212 

Ma, observed in samples from the southern part of the lake.  Zircon ages can be divided into three 213 

groups: 1) 24‐21 Ma ages along the northwestern profile, 2) 40‐38 Ma ages along the northeastern 214 

profile, and 3) mostly ~165‐150 Ma ages in the southern part of the lake.    All zircon ages along the 215 

northwestern profile are also within 2σ error of each other. 216 

Mineral compositions from the NE transect (Online Table 3) were analyzed in an effort to 217 

estimate the pressure and temperature conditions of pluton emplacement.  Compositional profiles 218 

across garnet‐biotite grain boundaries show highly elevated Mn and depleted Mg concentrations near 219 

the rims, suggesting that the garnets were altered during retrograde diffusion, or were incorporated 220 

from mafic schists in the wall rock [Kohn and Spear, 2000].  Garnet‐biotite temperature estimates for 221 

samples TAJ93 and TAJ102 do not converge on reasonable results and are not discussed further.  Sample 222 

TAJ93 contains abundant hornblende, as well as a  K‐feldspar, plagioclase, ilmenite, titanite and epidote 223 

mineral assemblage, ideal for Al‐in‐hornblende barometry [Hammarstrom and Zen, 1986; Hollister et al., 224 

1987].  The cores regions of ~120 different hornblende grains were analyzed and a plot was made of Al 225 

vs. Fe/(Fe+Mg) to assess the possibility of low‐temperature alteration.  This plot shows a positive linear 226 

relationship of shallow slope indicating a small amount of alteration in some grains.  To best 227 

approximate an unaltered composition, we base our Al‐in‐Hornblende pressure calculations on the 228 

average composition of the quartile of analyses containing the highest Al contents and Fe/(Fe+Mg) 229 

ratios.  Mineral compositions are presented in online Table 3 and yield emplacement pressures of ~2.3 ± 230 

0.5 Kb using the Probe‐Amph program [Tindle and Webb, 1994].   231 

Bulk rock geochemistry analyses were also performed to provide a comparison between the 232 

Karakul granodiorites and their probable counterparts in the western Kunlun region.   Geochemistry  233 

results are presented in figure 4 and in online table 4 and show that samples P916, P917, and P919 all 234 

have typical granodiorite compositions, whereas the mafic dike from the SW transect (sample P916‐1) 235 

has an alkaline basalt composition.  The total REE content of the granodiorites is quite low (~150‐200 236 

Page 9: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

 

ppm), characterized by moderate LREE enrichment (LREE/HREE= 3.5‐6.5) and a weak Eu anomaly.  237 

Comparison of our data with plutons from the north and south Kunlun belts [Yuan et al., 2002; Yuquan 238 

et al., 1996], as well as that of Schwab et al. (2004), supports the idea that the Karakul granites are 239 

correlative with the Mazar granites, and are slightly different from granites of similar age north of the 240 

Kunlun suture.  The REE pattern from the Karakul granites is virtually identical to the Mazar granodiorite, 241 

but has notably lower concentrations of HREE’s than the Arkanz Intrusive Complex (ARIC) that occurs 242 

north of the Kunlun suture near Kudi [Yuan et al., 2002].  Trace element data also support this 243 

correlation, with the Mazar granodiorite providing an almost identical match to the Karakul granites.  244 

 245 

5. Interpretation of Thermal History 246 

In the following discussion, we use (U/Th)‐He ages in two ways: 1) we compare pairs of zircon 247 

and apatite ages from the same sample, and 2) we compare age‐elevation plots (vertical transects) of 248 

apatite or zircon ages.  The goal of the first approach is to exploit the difference in closure temperature 249 

between zircon (~180 °C) and apatite (~65 °C) to understand how long it took for a given sample to cool 250 

between these two temperatures [K.A. Farley, 2002; P.W. Reiners et al., 2004].  However, because 251 

different thermal histories can produce identical ages in a given crystal, it is necessary to interpret these 252 

paired thermochronometers using a time‐temperature‐age model such as the HeFTy program [Ketcham, 253 

2005].  When using HeFTy, we adopt the He diffusion kinetics of Farley et al. (2000) for apatite and 254 

those of Reiners et al. (2004) for zircon.  In the second approach (vertical transects), samples are 255 

collected along the steepest possible slopes (i.e. fault scarps), under the assumption that these 256 

approximate a vertical slice into a laterally homogenous crust.  The slope of a line in age versus elevation 257 

space can then be used to directly infer the vertical exhumation rate if it is assumed that: 1) the closure 258 

temperature was the same for all samples in the transect, 2) the thermal gradient was constant during 259 

the period considered, and 3) the block has not been significantly tilted [Ehlers and Farley, 2003; Stockli 260 

et al., 2003].   To compare the exhumation rates inferred from vertical transects with cooling rates from 261 

our paired apatite and zircon ages, we assume a thermal gradient of 25 °C/Km. 262 

Several lines of evidence suggest that the Karakul granites cooled quickly following their 263 

emplacement in the latest Triassic, and then continued to cool very slowly during the late Jurassic and 264 

Cretaceous periods.  For example, the short time between zircon crystallization ages (~220 Ma) and the 265 

biotite 40Ar/39Ar cooling ages (~203Ma) in the southern part of the lake, suggests that the Karakul 266 

Page 10: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

10 

 

granites were emplaced at relatively shallow depths and cooled quickly through ~300°C [Schwab et al., 267 

2004].  This is consistent with our Al‐in‐hornblende barometry results which suggest that sample TAJ93 268 

was emplaced at depths of 7‐9 km (~1.9‐2.5 Kb).  The ~160 Ma zircon (U/Th)‐He ages in the southern 269 

part of the lake imply that rapid cooling (~6 °C/Myr) continued between ~203‐160 Ma, as the plutons 270 

came into equilibrium with the local thermal gradient.   Based on the difference between (U/Th)‐He ages 271 

in co‐existing apatite and zircon in samples from the southern transects, the Karakul granites then 272 

experienced a long period of extremely slow cooling ( ~0.9‐1.0 °C/My) and exhumation (0.035‐0.04 273 

mm/yr) between ~160‐55 Ma.   274 

Our data suggest that the rate of cooling increased significantly sometime around ~55‐45 Ma. 275 

One piece of evidence for this interpretation is the paired zircon (~165‐150 Ma) and apatite (~45‐38 Ma) 276 

ages from rocks in the southern part of the lake.  Taken alone, these paired ages (samples p917‐1, P916‐277 

1, p916‐3, and p916‐4) could be explained by a constant cooling rate of ~0.7 °C/Myr beginning around 278 

160 Ma (after closure of zircon) and continuing until today.  However, this solution is unlikely based on 279 

the additional constraint provided by the zircon ages in the NW transect, which indicate a rapid 280 

exhumation rate of ~0.55 ± 0.2 mm/yr (1σ), or a cooling rate of ~14 ± 5 °C/yr at 40‐38 Ma.   If we assume 281 

that this reflects the regional cooling rate at this time, and therefore apply it to samples from the 282 

southern part of the lake, it requires a thermal history in which there is a period of very slow cooling (< 283 

0.5 °C/yr) until at least 55 Ma, followed by a shift to more rapid cooling.  Applying this cooling rate over 284 

30‐40 km spatial scales is reasonable for two reasons: 1) when extension is restored, the profiles will be 285 

much closer together, and 2) because it reflects cooling of samples at 6‐9 km depth, where the effect of 286 

differential surface erosion rate on cooling at depth is greatly damped [P. W. Reiners, 2007].  An 287 

acceleration in cooling and exhumation rates at ~55‐45 Ma  is consistent with the possible break in slope 288 

observed in the SW apatite He age profile, suggesting that the highest sample in the SW profile may be 289 

the bottom of an exhumed partial retention zone (Figure 3). 290 

Sometime after ~40 Ma the average rate of exhumation must have slowed throughout the 291 

region.    For example, if exhumation had continued from 40 Ma onward at the rate of 0.55 mm/yr, or 292 

even at the 1σ lower bound of 0.25 mm/yr, we would expect < 50 Ma zircon ages to have been 293 

exhumed in the southern part of the basin.    Instead, the youngest observed zircon age is ~135 Ma.  294 

Exhumation also appears to have slowed to a lesser degree along the NW profile sometime after 40 Ma.  295 

Time‐temperature age modeling using the HeFTy program indicates that if exhumation had been 296 

proceeding at 0.55 mm/yr at 40 Ma, it would need to slow to a linear rate of ~0.05 mm/yr shortly 297 

Page 11: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

11 

 

thereafter to produce the 20‐18 Ma apatite cooling ages observed in the same samples.   If it had been 298 

proceeding at the 1σ lower rate of 0.25 mm/yr, it would need to slow slightly to ~0.2 mm/yr.   Likewise, 299 

the rate of exhumation since ~18 Ma cannot have exceeded ~0.15 mm/yr without bringing even 300 

younger apatite cooling ages to the surface at the base of the NW and NE transects.    301 

The overall decrease in cooling rate after ~40 Ma rate conflicts with the steep age‐elevation 302 

relationships observed in the NE and NW transects  between ~24‐16 Ma.  For example, apatite ages 303 

from the NW transect imply an exhumation rate of > 0.5 mm/yr from ~20‐18 Ma.    The apatite age‐304 

elevation transect from the NE profile indicates an exhumation rate >0.6 mm/yr between 19‐17 Ma.   305 

Additionally, time‐temperature age modeling of paired apatite and zircon cooling ages in sample TAJ99 306 

and TAJ102 from the NE transect suggest  that exhumation rates reached ~0.8 mm/yr between ~22‐15 307 

Ma [Ketcham, 2005].    The simplest thermal history that satisfies all of the above constraints is one in 308 

which a relatively slow Cenozoic cooling rate is punctuated by two periods of rapid exhumation at ~55‐309 

45 Ma and ~24‐16 Ma.   310 

 311 

6. Interpretation of Tectonic History 312 

The data presented above argue that the Karakul basin experienced two episodes of accelerated 313 

exhumation between ~55‐45 Ma and ~24‐16 Ma.  We attribute the first episode of cooling to 314 

accelerated tectonic uplift and erosion in response to India‐Asia collision.  As discussed below, we 315 

attribute the second episode of cooling to extensional faulting within the Karakul graben.    Because of 316 

its proximity, we had expected (U/Th)‐He ages from the Karakul graben to record the onset of 317 

extensional faulting at a similar time to the Kongur Shan system, around 7‐8 Ma [Robinson et al., 2004].  318 

The observation of considerably older cooling ages raises the question of whether rapid exhumation 319 

recorded at  ~24‐16 Ma  reflects:  1) regional tectonic uplift and erosion followed by a small amount of 320 

post‐16 Ma extensional faulting, or 2) tectonic exhumation due to the onset of extensional faulting at 321 

~24 Ma.    We favor the latter hypothesis for the reasons discussed below. 322 

 In the first interpretation, the Karakul region would have experienced uplift and erosion as part 323 

of a hinterland plateau structurally above and behind the Main Pamir Thrust (MPT) front.   Rocks at the 324 

surface today would have been exhumed through their closure isotherm during the early Miocene and 325 

then remained at depths of < 3 km until being exhumed by a small amount of extensional faulting 326 

sometime after ~16 Ma.  This interpretation is unlikely because even a small amount of post‐16 Ma 327 

Page 12: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

12 

 

extension should have exhumed some rocks from the top of the apatite He partial retention zone with 328 

ages younger than ~16 Ma.  For example, assuming a geothermal gradient of 25 °C/km and 65°C closure 329 

temperature, a  60° dipping normal fault would require ~1.5 km of horizontal extension to exhume 330 

apatite U/Th‐He ages from the top of the partial retention zone, whereas  a  45° fault would require ~2.5 331 

km.  Although we are unable to make estimates of the amount of extension, the graben is ~50 km wide 332 

between the crests of the east and west flanks, suggesting it has experienced more than 2.4 km of 333 

extension on one or both of its flanks.   334 

A second argument against a post‐ 16 Ma onset of extension is the asymmetry in cooling ages 335 

observed between the NW and NE transects.  Coexisting apatite and zircon cooling ages in the NE profile 336 

span ~24‐16 Ma, whereas coexisting ages in the NW transect span ~40‐18 Ma, indicating that a larger 337 

amount of exhumation occurred along  the NW transect during the early Miocene.  Although such a 338 

pattern could be created by fluvial incision and subsequent topographic inversion, it is more easily 339 

explained by a larger magnitude of slip on the NE basin bounding normal fault, beginning at ~24‐22 Ma.  340 

This interpretation is consistent with the mafic mineral assemblages of rocks from the NE transect, 341 

which may indicate a lower level of the magma chamber. 342 

 343 

7. Discussion 344 

The simplest explanation of the observed pattern of cooling ages is that extension in the Karakul 345 

graben began in the early Miocene, at around 24‐22 Ma.   Early Miocene initiation of extensional 346 

faulting in the Karakul graben would significantly predate the 7‐9 Ma onset of extension inferred for the 347 

Kongur Shan system [Robinson et al., 2004; 2007].  However, this age is based primarily on ubiquitous 7‐348 

9 Ma 40Ar/39Ar cooling ages, and a large population of 8‐10 Ma monazite ages found in the matrix of 349 

deformed schists and gneisses.  An alternative explanation is that the onset of extension occurred 350 

simultaneously between the Kongur Shan and Karakul systems at ~24‐22 Ma before the Karakul graben 351 

was abandoned and extension became focused entirely along the Kongur Shan system during the late 352 

Miocene and Pliocene.  This idea can be reconciled with the data of Robinson et al. (2007) if it is 353 

assumed that the end of prograde metamorphism and the onset of extensional collapse is represented 354 

by the youngest zircon ages (~22 Ma) observed in the footwall orthogneiss of the Kongur Shan normal 355 

fault.  It is also consistent with the youngest garnet‐hosted monazite Th‐Pb ages (~24 Ma) from the 356 

footwall rocks in the Mustagh‐Ata area, and with the broad peak in garnet hosted monazite ages (~18‐357 

Page 13: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

13 

 

28 Ma) in rocks south of Mustagh‐Ata.   Such an interpretation requires that the abundance of 8‐10 Ma 358 

matrix‐sited monazite ages be explained by recrystallization or dissolution/reprecipitation during uplift 359 

and mylonitization [Robinson et al., 2004].   360 

Early Miocene extension in the Karakul graben has specific implications for the various tectonic 361 

models that have been suggested to explain extensional faulting in the northeastern Pamir.    An age of 362 

24‐22 Ma likely predates accumulation of large offsets on the Karakoram fault, and significant 363 

indentation of the Pamir salient [Raterman et al., 2007; Robinson, 2009].   This implies that the Karakul 364 

graben did not initially form in response to radial thrusting or to oroclinal bending of the Pamir.  Because 365 

significant crustal thickening had already occurred above the MPT by the early Miocene [Robinson et al., 366 

2004; Sobel and Dumitru, 1997], it is plausible that extension was driven by gravitational collapse due to 367 

a steep gradient in crustal thickness between the Pamir plateau and the Tarim basin [Dewey, 1988; 368 

Strecker et al., 1995].   369 

We propose a tectonic model building on previous suggestions that the Karakoram fault could 370 

either be related to north‐trending rifts in Tibet or driven by strain transfer from the Karakoram fault 371 

[Ratschbacher et al., 1994; Strecker et al., 1995].  We propose that initiation of extension in the Karakul 372 

graben occurred near the western terminations of the Karakoram and Altyn Tagh faults, in response to 373 

their co‐initiation ~24‐22 Ma.   Although speculative, this idea is plausible for several reasons.  First, 374 

strike‐slip assisted normal faulting is a very common mode of extension throughout  the Tibetan 375 

plateau, and is required by some numerical models to induce orogen perpendicular extension in other 376 

orogens [Armijo et al., 1989; Armijo et al., 1986; Robl et al., 2008; Selverstone, 2005].   Our idea is also 377 

consistent with tectonic reconstructions of western Tibet that restore the northern Pamir terrane to the 378 

Songpan‐Garze terrane in a linear east‐west orientation bounded along their northern edge by the 379 

Kunlun Suture and Karakax‐Altyn Tagh fault system [E. Cowgill et al., 2003; Raterman et al., 2007].  Such 380 

a correlation is further supported by the work of Schwab et al. (2004) and the additional geochemical 381 

data that we present in section 4.   Finally, onset of extension in the Karakul graben at ~24‐22 Ma 382 

matches very well with some estimates of slip initiation along the Altyn Tagh and Karakoram faults 383 

[Chen et al., 2002; Lacassin et al., 2004; Valli et al., 2008].   384 

A plausible evolution of this geometry is reconstructed schematically in figure 4, and includes 385 

the following stages.  In the late Oligocene and earliest Miocene we assume that the Altyn Tagh and 386 

Karakax systems were a continuous system of left‐lateral strike‐slip faults acting to partition eastward 387 

extrusion of Tibet from northward overthrusting over the Tarim basin [Raterman et al., 2007].   We 388 

Page 14: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

14 

 

propose that the Karakax fault was linked to the Markansu fault on its eastern end at this time.  Second, 389 

we assume that initiation of the Karakoram fault occurred around 24‐22 Ma, with its northern tip 390 

initially exploiting a pre‐existing system of east‐west trending left‐lateral strike‐slip faults, including the 391 

proto Rangkul fault and perhaps parts of the Jinsha suture and/or Ghoza Co fault system.  As slip on the 392 

Karakoram and Altyn Tagh faults intensified, extensional faulting occurred on the Karakul and Kongur 393 

Shan systems near the western terminations of the two faults.  As the Pamir indentor subsequently 394 

developed during the middle and late Miocene, the mechanical link between the Karakoram and 395 

Rangkul faults was abandoned, extension ceased, and the Karakul graben was translated northward 396 

riding atop rapidly thickening crust above the Main Pamir Thrust system.  The preservation of the 397 

graben for millions of years during northward translation is plausible in light of the fact that < 10 km of 398 

total exhumation has taken place over the last 200 My. 399 

After the Rangkul fault was abandoned,  the northern tip of the Karakoram fault began  400 

transferring strain to a succession of more southerly strike‐slip faults including the east‐Pamir 401 

(Achiehkopai) fault [Robinson, 2009; Strecker et al., 1995], and currently to the Karasu strike‐slip system 402 

[Amidon et al., 2008].  In contrast to the Karakul graben, extension likely accelerated along the Kongur 403 

and Mustagh systems from the late Miocene onward [Robinson et al., 2007].   This is due to their unique 404 

location near the inflection point in the Pamir arc, where they serve as a “ball bearing” to accommodate 405 

oroclinal bending and extension between the northward advancing Pamir salient and the western 406 

Kunlun range [Robinson et al., 2004].   Oroclinal bending during this time caused up to 30° clockwise 407 

rotations along the eastern flank of the Pamir [Rumelhart et al., 1999], likely rotating the Karakax fault 408 

and Jinsha suture into their current orientations.     409 

Our proposed model is speculative and makes assumptions about several longstanding issues in 410 

Pamir tectonics that are difficult to test.   We assume that the northern Pamir terrane (or the northern 411 

and central Pamir terranes) are equivalent to the Songpan Garze  terrane [Burtman and Molnar, 1993; 412 

Robinson, 2009; Schwab et al., 2004]. We also assume that the northernmost extension of the Karakax 413 

fault runs east of the Mustagh and Kongur massifs where it links with the Ghez, Muji, and Markansu 414 

fault systems, all  of which mark the northern edge of the Songpan‐Garze/northern Pamir terrane 415 

[Schwab et al., 2004].  Our model also assumes that the western portion of the Jinsha suture was 416 

actively accommodating strike‐slip motion prior to being reactivated as a thrust system, and rotated 417 

clockwise.  The Ghoza‐Co fault system may represent a part of the suture still active as a strike‐slip 418 

system today [Matte et al., 1996; Peltzer et al., 1989; Raterman et al., 2007].   419 

Page 15: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

15 

 

8. Conclusions 420 

The Karakul graben is a prominent structural feature sitting atop the 75 km thick crust of the 421 

northern Pamir plateau.  Its proximity to the Kongur Shan extensional system caused speculation that 422 

the Karakul Graben was a late Miocene‐Pliocene structural feature caused by radial thrusting, oroclinal 423 

bending, or orogenic collapse.   We present new apatite and zircon (U/Th)‐He ages from the Karakul 424 

graben which document relatively slow cooling since ~220 Ma, punctuated by two episodes of rapid 425 

exhumation between ~55‐40 Ma and ~24‐16 Ma.   Based on the spatial pattern of cooling ages, we 426 

argue that the second period of rapid cooling records tectonic exhumation due to the onset of extension 427 

in the Karakul graben.  We present bulk rock geochemistry data that supports the hypothesis of Schwab 428 

et al. (2004) that the Karakul granites are associated with Mazar granites, and are therefore located 429 

south of the Kunlun suture.  Based on this reconstruction, we propose that extension in the Karakul 430 

graben could have been facilitated by the onset of strike‐slip motion along the Karakax and Karakoram 431 

faults at ~24 Ma. 432 

 433 

 434 

 435 

 436 

 437 

 438 

 439 

 440 

 441 

 442 

 443 

 444 

 445 

 446 

Page 16: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

16 

 

References 447 

 448 Amidon, W. H., K. A. Farley, and S. Hynek (2008), A field test of cosmogenic 3He dating in calcite, Geol. 449 Soc. Am. Abstr. Programs, 40(6), 310. 450  451 Armijo, R., P. Tapponnier, and H. Tonglin (1989), Late Cenozoic Right‐Lateral Strike‐Slip Faulting in 452 Southern Tibet, J. Geophys. Res., 94(B3), 2787‐2838. 453  454 Armijo, R., P. Tapponnier, J. L. Mercier, and T. L. Han (1986), Quaternary Extension in Southern Tibet ‐ 455 Field Observations and Tectonic Implications, J. Geophys. Res., 91(B14), 13803‐13872. 456  457 Arnaud, N., M. Brunel, J. M. Cantagrel, and P. Tapponnier (1993), High cooling and denudation rates at 458 Kongur Shan, eastern Pamir (Xianjang, China) revealed by 40Ar/39Ar alkali feldspar thermochronology, 459 Tectonics, 12(6), 1335‐1346. 460  461 Arrowsmith, J. R., and M. R. Strecker (1999), Seismotectonic range‐front segmentation and mountain‐462 belt growth in the Pamir‐Alai region, Kyrgyzstan (India‐Eurasia collision zone), Geol. Soc. Am. Bull., 463 111(11), 1665‐1683. 464  465 Blisniuk, P., and M. Strecker (1997), Quaternary oblique normal faulting in the Lake Karakul area, 466 northern Pamir (Tajikistan); transfer of lateral escape along the Karakorum and Altyn Tagh faults?, Geo. 467 Soc. Am. Abstr. Programs, 29(6), 470. 468  469 Brunel, M., N. Arnaud, P. Tapponnier, Y. Pan, and Y. Wang (1994), Kongur Shan normal fault: type 470 example of mountain building assisted by extension (Karakoram fault, eastern Pamir), Geology, 22, 707‐471 710. 472  473 Burtman, V. S., and P. Molnar (1993), Geological and Geophysical evidence for deep subduction beneath 474 the Pamir, Geol. Soc. Am. Spec. Paper, 281, 1‐76. 475  476 Chen, y., S. Gilder, N. Halim, J. P. Cogné, and V. Courtillot (2002), New paleomagnetic constraints on 477 central Asian kinematics: Displacement along the Altyn Tagh fault and rotation of the Qaidam Basin, 478 Tectonics, 21(5). 479  480 Coutand, I., M. R. Strecker, J. R. Arrowsmith, G. Hilley, R. C. Thiede, A. Korjenkov, and M. Omuraliev 481 (2002), Late Cenozoic tectonic development of the intramontane Alai Valley, (Pamir‐Tien Shan region, 482 central Asia): An example of intracontinental deformation due to the Indo‐Eurasia collision, Tectonics, 483 21(6). 484  485 Cowgill, E., A. Yin, T. M. Harrison, and X. F. Wang (2003), Reconstruction of the Altyn Tagh fault based on 486 U‐Pb geochronology: Role of back thrusts, mantle sutures, and heterogeneous crustal strength in 487 forming the Tibetan Plateau, J. Geophys. Res., 108(B7). 488  489 Cowgill, E., R. D. Gold, X. Chen, X. F. Wang, J. R. Arrowsmith, and J. Southon (2009), Low Quaternary slip 490 rate reconciles geodetic and geologic rates along the Altyn Tagh fault, northwestern Tibet, Geology, 491 37(7), 647‐650. 492  493 

Page 17: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

17 

 

Dewey, J. F. (1988), Extensional Collapse of Orogens, Tectonics, 7(6), 1123‐1139. 494  495 Ehlers, T. A., and K. A. Farley (2003), Apatite (U‐Th)/He thermochronometry: methods and applications 496 to problems in tectonic and surface processes, Earth Planet. Sci. Lett., 206(1‐2), 1‐14. 497  498 Farley, K. A. (2000), Helium diffusion from apatite: General behavior as illustrated by Durango 499 fluorapatite, J. Geophys. Res., 105(B2), 2903‐2914. 500  501 Farley, K. A. (2002), (U‐Th)/He dating: Techniques, calibrations, and applications in Noble Gases in 502 Geochemistry and Cosmochemistry, edited by D. Porcelli, C. J. Ballentine and R. Wieler, pp. 819‐844. 503  504 Gurov, E. P., H. P. Gurova, R. B. Rakitskaya, and A. Y. Yamnichenko (1993), The Karakul Depression in 505 Pamirs; the first impact structure in Central Asia, Lun. Planet. Sci. Asbstracts, 24, 591‐592. 506  507 Hammarstrom, J. M., and E. A. Zen (1986), Aluminum in Hornblende ‐ an Empirical Igneous 508 Geobarometer, Am. Mineralogist, 71(11‐12), 1297‐1313. 509  510 Hodges, K. V. (2000), Tectonics of the Himalaya and southern Tibet from two perspectives, Geol. Soc. 511 Am. Bull., 112(3), 324‐350. 512  513 Hollister, L. S., G. C. Grissom, E. K. Peters, H. H. Stowell, and V. B. Sisson (1987), Confirmation of the 514 empirical correlation of Al in hornblende with pressure of solidification of calc‐alkaline plutons, Am. 515 Mineralogist, 72, 231‐239. 516  517 House, M. A., K. A. Farley, and D. Stockli (2000), Helium chronometry of apatite and titanite using Nd‐518 YAG laser heating, Earth Planet. Sci. Lett., 183(3‐4), 365‐368. 519  520 Ketcham, R. A. (2005), Forward and inverse modeling of low‐temperature thermochronometry data, 58, 521 275 ‐314  522  523 Kohn, M. J., and F. Spear (2000), Retrograde net transfer reaction insurance for pressure‐temperature 524 estimates, Geology, 28(12), 1127‐1130. 525  526 Lacassin, R., et al. (2004), Large‐scale geometry, offset and kinematic evolution of the Karakorum fault, 527 Tibet, Earth Planet. Sci. Lett., 219(3‐4), 255‐269. 528  529 Matte, P., P. Tapponnier, N. Arnaud, L. Bourjot, J. P. Avouac, P. Vidal, L. Qing, Y. S. Pan, and W. Yi (1996), 530 Tectonics of Western Tibet, between the Tarim and the Indus, Earth Planet. Sci. Lett., 142(3‐4), 311‐&. 531  532 Meriaux, A. S., F. J. Ryerson, P. Tapponnier, J. Van der Woerd, R. C. Finkel, X. W. Xu, Z. Q. Xu, and M. W. 533 Caffee (2004), Rapid slip along the central Altyn Tagh Fault: Morphochronologic evidence from Cherchen 534 He and Sulamu Tagh, J. Geophys. Res., 109(B6). 535  536 Murphy, M. A., A. Yin, P. Kapp, T. M. Harrison, D. Lin, and J. H. Guo (2000), Southward propagation of 537 the Karakoram fault system, southwest Tibet: Timing and magnitude of slip, Geology, 28(5), 451‐454. 538  539 Peltzer, G., and P. Tapponnier (1988), Formation and Evolution of Strike‐Slip Faults, Rifts, and Basins 540 During the India‐Asia Collision ‐ an Experimental Approach, J. Geophys. Res., 93(B12), 15085‐&. 541 

Page 18: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

18 

 

 542 Peltzer, G., P. Tapponnier, and R. Armijo (1989), Magnitude of Late Quaternary Left‐Lateral 543 Displacements Along the North Edge of Tibet, Science, 246(4935), 1285‐1289. 544  545 Phillips, R. J., R. R. Parrish, and M. P. Searle (2004), Age constraints on ductile deformation and long‐546 term slip rates along the Karakoram fault zone, Ladakh, Earth Planet. Sci. Lett., 226(3‐4), 305‐319. 547  548 Raterman, N. S., E. Cowgill, and D. Lin (2007), Variable structural style along the Karakoram fault 549 explained using triple‐junction analysis of intersecting faults, Geosphere, 3(2), 71‐85. 550  551 Ratschbacher, L., W. Frisch, G. H. Liu, and C. S. Chen (1994), Distributed Deformation in Southern and 552 Western Tibet During and after the India‐Asia Collision, J. Geophys. Res., 99(B10), 19917‐19945. 553  554 Reigber, C., G. W. Michel, R. Galas, D. Angermann, J. Klotz, J. Y. Chen, A. Papschev, R. Arslanov, V. E. 555 Tzurkov, and M. C. Ishanov (2001), New space geodetic constraints on the distribution of deformation in 556 Central Asia, Earth Planet. Sci. Lett., 191(1‐2), 157‐165. 557  558 Reiners, P. W. (2007), Thermochronologic approaches to paleotopography, in Paleoaltimetry: 559 Geochemical and Thermodynamic Approaches, edited, pp. 243 ‐267  560  561 Reiners, P. W., K. A. Farley, and H. J. Hickes (2002), He diffusion and (U‐Th)/He thermochronometry of 562 zircon: initial results from Fish Canyon Tuff and Gold Butte, Tectonophys., 349(1‐4), 297‐308. 563  564 Reiners, P. W., T. L. Spell, S. Nicolescu, and K. A. Zanetti (2004), Zircon (U‐Th)/He thermochronometry: 565 He diffusion and comparisons with Ar‐40/Ar‐39 dating, Geochim. Cosmochim. Acta, 68(8), 1857‐1887. 566  567 Renne, P. R., A. L. Deino, W. R.C., T. B.D., S. C.C., B. T.A., C. G.H., S. W.D., and J. A.R. (1994), 568 Intercalibration of astronomical and radioisotopic time Geology, 22(9), 783‐786. 569  570 Ritts, B. D., and U. Biffi (2000), Magnitude of post‐Middle Jurassic (Bajocian) displacement on the central 571 Altyn Tagh fault system, northwest China, Geol. Soc. Am. Bull., 112(1), 61‐74. 572  573 Robinson, A. C. (2009), Geologic offsets across the northern Karakorum fault: Implications for its role 574 and terrane correlations in the western Himalayan‐Tibetan orogen, Earth Planet. Sci. Lett., 279(1‐2), 575 123‐130. 576  577 Robinson, A. C., A. Yin, C. E. Manning, T. M. Harrison, S. H. Zhang, and X. F. Wang (2004), Tectonic 578 evolution of the northeastern Pamir: Constraints from the northern portion of the Cenozoic Kongur Shan 579 extensional system, western China, Geol. Soc. Am. Bull., 116(7‐8), 953‐973. 580  581 Robinson, A. C., A. Yin, C. E. Manning, T. M. Harrison, S. H. Zhang, and X. F. Wang (2007), Cenozoic 582 evolution of the eastern Pamir: Implications for strain‐accommodation mechanisms at the western end 583 of the Himalayan‐Tibetan orogen, Geol. Soc. Am. Bull., 119(7‐8), 882‐896. 584  585 Robl, J., K. Stüwe, S. Hergarten, and L. Evans (2008), Extension during continental convergence in the 586 Eastern Alps: The influence of orogen‐scale strike‐slip faults, Geology, 36(12), 963‐966. 587  588 

Page 19: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

19 

 

Romanko, E. (1968), Geological map of the Tadjik SSR, scale 1:200,000, sheet J‐43‐XIII, Russian Geology 589 Ministry, St. Petersburg. 590  591 Rumelhart, P. E., A. Yin, E. Cowgill, R. Butler, Q. Zhang, and X. F. Wang (1999), Cenozoic vertical‐axis 592 rotation of the Altyn Tagh fault system, Geology, 27(9), 819‐822. 593  594 Schwab, M., L. Ratschbacher, and W. Frisch (1999), Cenozoic to Recent Thermodynamic Evolution of S‐595 Tien Shan, NE‐ and Central Pamirs: Evidences from U/Pb, 40Ar/39Ar and Fission‐Track Dating Methods 596 Combined with Structural Analyses, Journal of Conference Abstracts (EGU), 4(1), 54. 597  598 Schwab, M., et al. (2004), Assembly of the Pamirs: Age and origin of magmatic belts from the southern 599 Tien Shan to the southern Pamirs and their relation to Tibet, Tectonics, 23(4). 600  601 Searle, M. P. (1996), Geological evidence against large‐scale pre‐Holocene offsets along the Karakoram 602 Fault: Implications for the limited extrusion of the Tibetan plateau, Tectonics, 15(1), 171‐186. 603  604 Selverstone, J. (2005), Are the Alps collapsing?, Ann. Rev. Earth Plan. Sci., 33, 113‐132. 605  606 Sobel, E. R., and T. A. Dumitru (1997), Thrusting and exhumation around the margins of the western 607 Tarim basin during the India‐Asia collision, J. Geophys. Res., 102(B3), 5043‐5063. 608  609 Stockli, D. F., T. A. Dumitru, M. O. McWilliams, and K. A. Farley (2003), Cenozoic tectonic evolution of the 610 White Mountains, California and Nevada, Geol. Soc. Am. Bull., 115(7), 788‐816. 611  612 Strecker, M. R., G. E. Hilley, J. R. Arrowsmith, and I. Coutand (2003), Differential structural and 613 geomorphic mountain‐front evolution in an active continental collision zone: The northwest Pamir, 614 southern Kyrgyzstan, Geol. Soc. Am. Bull., 115(2), 166‐181. 615  616 Strecker, M. R., W. Frisch, M. W. Hamburger, L. Ratschbacher, S. Semiletkin, A. Samoruyev, and N. 617 Sturchio (1995), Quaternary Deformation in the Eastern Pamirs, Tajikistan and Kyrgyzstan, Tectonics, 618 14(5), 1061‐1079. 619  620 Tindle, A., and P. Webb (1994), PROBE‐AMPH a spreadsheet program to classify microprobe‐derived 621 amphibole analyses, Computers and Geosciences, 20(7‐8), 1201‐1228. 622  623 Valli, F., et al. (2008), New U‐Th/Pb constraints on timing of shearing and long‐term slip‐rate on the 624 Karakorum fault, Tectonics, 27(5). 625  626 Yin, A., and T. M. Harrison (2000), Geologic evolution of the Himalayan‐Tibetan orogen, Ann. Rev. Earth 627 Plan. Sci., 28, 211‐280. 628  629 Yin, A., A. C. Robinson, and C. E. Manning (2001), Oroclinal bending and slab break‐off causing coeval 630 east‐west extension and east‐west contraction in the Pamir‐Nanga Parbat syntaxis in the past 10 m.y., 631 Eos Trans. Am. Geophsy. Union, 82, F1124. 632  633 Young, E., A. Myers, E. Munson, and N. Conklin (1969), Mineralogy and geochemistry of flourapatite 634 from Cerro de Mercado, Durango, Mexico, USGS Prof. Paper, 650‐D, 84‐93. 635  636 

Page 20: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

20 

 

Yuan, C., M. Sun, M. Zhou, H. Zhou, W. Xiao, and J. Li (2002), Tectonic Evolution of the West Kunlun: 637 Geochronologic and Geochemical Constraints from Kudi Granitoids, Int. Geol. Review, 44, 653‐669. 638  639 Yuquan, Z., X. Yingwen, X. Ronghua, P. Vidal, and N. Arnaud (1996), Geochemistry of Granitoid rocks, in 640 Geological Evolution of the Karakorum and Kunlun Mountains, edited by P. Yusheng, Seismological Press, 641 Beijing, China. 642  643  644  645  646 

 647 

 648 

 649 

 650 

 651 

 652 

 653 

 654 

 655 

 656 

 657 

 658 

 659 

 660 

 661 

 662 

 663 

 664 

 665 

 666 

 667 

 668 

 669 

 670 

 671 

 672 

 673 

 674 

 675 

 676 

Page 21: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

21 

 

Figure Captions 677 

 678 Figure 1:    Map showing the regional tectonics of the Pamir Plateau and Tarim Basin, synthesized from 679 

Matte et al. (1986), Burtman and Molnar (1993), Searle (1996), Raterman et al. (2007), and 680 Robinson et al., (2009).  Note that the Karakax fault is proposed to run along the eastern edge of 681 the Kongur massif, where it connects with the Ghez and Markansu fault systems. 682 

 683 Figure 2:  Geologic map of the Karakul basin.  Bedrock geology is taken from Romanko (1968).  684 

Structures are from field observations, interpretations of satellite imagery, and from the 685 observations of Blisniuk et al. (1997).  White boxes contain mean apatite (“a”) or zircon (“z”) 686 (U/Th)‐He ages.  Grey boxes contain the data of Schwab et al. (2004), showing biotite 40Ar/40Ar 687 ages (“ArB”) and zircon U‐Pb ages (“UPbZ”).  Hatched lines are normal faults, dashed where 688 inferred and solid where scarps are observed.   689 

 690 Figure 3: Age‐elevation profiles from each of the four transects shown in figure 2.  All errors are 1σ, and 691 

are ~7% for both apatite and zircon.  Full dataset is available in online tables 1 and 2.   692  693 Figure 4:  This figure compares the average REE (top) and trace element (bottom) distributions for the 694 

Karakul granodiorites to other granitoids in western Tibet.  The Karakul granodiorites are nearly 695 identical to the that of the Mazar granodiorite, and only slightly different from the Arkarz Shan 696 Intrusive Complex (ARIC) near Kudi [Yuan et al., 2002], and from the Muji granitoids [Yuquan et 697 al., 1996].  Filled circles in the upper panel show previously published data from the Karakul 698 granites [Schwab et al., 2004].    Data from granitoids elsewhere in Tibet are shown for 699 comparison and is taken from Yuquan et al. (1996).  The Karakul, Muji, Mazar, and ARIC granites 700 are ~200‐230 Ma, whereas Rutog, Gheze and Tashkurgan are < 100 Ma, and Kudi is ~380 Ma.   701 

 702 Figure 5:  Schematic diagram showing our proposed tectonic evolution for the Karakul Graben.  We 703 

propose that the Karakax originally connected to the Markansu fault, and that the Karakoram 704 fault originally terminated near the eastern end of the Rangkul fault.  We speculate that 705 initiation of slip on the two major strike‐slip faults at ~24‐22 Ma, may have facilitated extension 706 in the Karakul Graben.  Major structural features are labeled as: GCF= Ghoza Co fault, KG= 707 Karakul graben, JS= Jinsha suture, KF= Karakoram fault, KxF/KS= Karakax fault/ Kudi suture, MF= 708 Markansu fault, RF= Rangkul fault.   709 

 710  711 

Page 22: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

&

(

((

((

&

&((((((((((( &

&&( ( ( (( ( (

((

((

( ( ( ( ( ((

(((

(((((

((

((

(((

((((

(

((

((

(((

(((((((

(

(( ( ( ( ( ((

$

74E 76E

36N

38N

40N

(

(((

?

?

?

?

Karakoram Fault

Rangkul Fault

Markansu Fault

Tanymas Suture

MujiGraben

?

TarimBasin

MustaghAta

Central Pamir

Northern Pamir

Southern Pamir

Alai Valley

?

Songpan/GarzeQiantangKohistan Arc

Hindu Kush

East Pamir Fault

Rushan-Pshart Zone

Main Pamir Thrust

?

Kumtagh Fault

Kashgar

Kongur

Tash-kurganKarasu Fault

Karakax Fault

Amidon et al.Figure 1

Muji

Mazar

Ghez Fault

&

Page 23: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

Qfa

Tg

QgCPmz

CPkt

Ql

PKc

CPks

CPka

Pms

S-D

4000

5000

5600

ArB~204

ArB~191

ArB~196UPbZ~227

a: 18.4z: 38 !(

a: 22.0z: 43

!(a: 18.8z: 40

!(

!(!(

!(

4000

a: 17.2z: 24.6

a: 15.3z: 20.3

a: 17.7z: 22.4

a: 19.7z: 22.2

!(

a: 44z: 161

a: 65z: 161

a: 43 a: 37 z: 162

!(!(

a: 33

a: 53z: 97

ArB~203

!(

a: 17.8z: 38

4000

5500

a: 17.1z: 155

a: 32z: 162

a: 15.8z: 141

a: 40z: 173

Contour = 100 m0 4 8 km ´

Amidon et al.Figure 2

Rangkul Fault

NE transectNW transectSE transectSW transect

´Unit

Qg

Qfa

Ql

Tg

P3ms

P2kn

P1kc

C-Pmz

C-Pkt

C-Pks

C-Pka

S-D1

Lake Karakul

rivers

0 0.025 0.05 0.075 0.10.0125Kilometers

Quat. Glacial Pms

Pkn

Pkc CPmz

CPkt

CPks

CPka

S-DQg

Qfa

Ql

Tg

Quat. Fluvial/Alluvial

Quat. Lacustrine

Triassic Granitoids

Middle-Upper Permian

meta-sediments

Upper CarboniferousLower Permian

meta-sediments

Silurian-DevonianLimestone and Slate

PKn

ArB~203UPbZ~216

Page 24: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

10 20 4030 50 10 20 4030 50 30 40 6050 7010 15 2520 30

6000

4500

5000

5500

4000

3500

Ele

vatio

n (m

)

U/Th-He Age (My)

NE Profile SE Profile NW Profile SW Profile

Amidon et al.Figure 3

ApatiteZircon

1σ errors

Inflection??

Page 25: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

Amidon et al.Figure 4

2

20

200

Ti K P Ba Sr Rb Th Pb Nb Zr Hf La Ce Y

Conc

./Ch

ondr

ite

Karakul

Mazar

Muji

ARIC

Kudi

Tashkurgan

Rutog

Gheze

5

50

500

La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Yb Lu

Conc

./Ch

ondr

ite

Karakul

Mazar

Muji

ARIC

Kudi

Tashkurgan

Karakul (S)

Page 26: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

( ( (

d

dd

dd

dd

(((

dd

dd

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

dd

d

dd

d

dd

(

dd

d

dd

dd

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

d

dd

d

d

dd d

d

dd

d

d

d $

dd

d

d

d

d

dd

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

74 76 78

34

36

38

&

~24 Ma

~10 Ma

Today

(

(

(

(

( ( (

( ((( (

(&

(

(

( ( ((

(

( (

(

(((

((

( ( ( (

( (

((

(( ((

( ( (( (

(

(

(

((

(

(

((

((

((

(&

( ( ( (

( (

((

(

(

((

(

(

(

(

(

(

(( ((

( ( (( (

( ( (

(

(

( (

( (

( ( (

(

(((

((

( ((( (

(( ((

(( ((

(( ( (( ( (( (

( (( (( (

(

( ((( (

(( ((

((

( (

& &

&?&

Amidon et al.Figure 5

KxF/KSKF

JS

KG

MF

RF

GCF

Page 27: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

Table 1.  U/Th‐He Cooling AgesSample Lat. Lon. Elev. Apatite Zircon 

(wgs 84) (wgs 84) (m asl) (My) (My)

NE Transecttaj‐93 39.1010 73.6730 5579 17.2 24.6taj‐96 39.0934 73.6638 5094 19.1 22.2taj‐99 39.0846 73.6525 4663 17.7 22.4taj‐102 39.0776 73.6280 4212 15.3 21.0SW  Transectp916‐1 38.8456 73.4178 4654 43.0 ‐‐‐p916‐2 38.8445 73.3942 5069 64.6 164.9p916‐3 38.8431 73.4198 4560 44.3 161.1p916‐4 38.8377 73.4348 4098 37.2 162.2SE Transectp917‐1 38.8247 73.5567 5465 39.8 172.7p917‐2 38.8298 73.5323 4900 31.5 162.2p917‐3 38.8373 73.5244 4497 17.1 154.9p917‐4 38.8451 73.5147 4112 15.4 139.4NW Transectp919‐1 39.1193 73.3018 3929 17.8 37.8p919‐2 39.1019 73.2496 4915 18.8 39.7p919‐3 39.1100 73.2812 4423 18.4 38.0p919 3 39.1100 73.2812 4423 18.4 38.0Lake Level p918‐1* 38.8402 73.3243 3947 69.9 96.5p918‐2 38.8429 73.2912 3950 32.9 ‐‐‐p919‐1a 39.1263 73.4203 3937 22.0 42.6StandardsDurango ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 32.5 ‐‐‐FCT ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ 27.71σ errors are ~7% for both apatite and zircon

*poor reproducibility of apatite ages, 1σ error ~30%

Page 28: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

Online Table 1: Apatite U/Th‐He ResultsSample U Th He FT  Age FT corr age Sample U Th He FT  Age FT corr age

(ppm) (ppm) (nmol/g) factor (My) (My) (ppm) (ppm) (nmol/g) factor (My) (My)

taj93a 20.9 29.4 2 0.82 13.2 16 P917‐4a 68.3 61.4 5.7 0.83 12.6 15.2taj93b 16.2 31.3 2.2 0.86 17 19.8 P917‐4b 50.5 24.2 4.2 0.84 14.0 16.7taj93c 29.4 29.9 2.5 0.81 12.7 15.7 P917‐4c 49.6 25.5 3.4 0.79 11.4 14.3taj93d 31.1 38.7 3.1 0.81 14 17.2 mean 15.4

mean 17.2 P918‐1a 18.9 7.6 4.6 0.84 40.8 48.3taj96a 36.6 5.2 3.4 0.80 16.3 20.2 P918‐1b 38.1 37.2 11.6 0.85 45.3 53.3taj96b  43.9 5.5 3.8 0.84 15.6 18.5 P918‐1c 62.2 58.0 19.4 0.81 46.9 57.9taj96c 74.8 5 6.2 0.80 14.9 18.6 P918‐1d 18.9 12.9 8.9 0.83 73.5 88.8

mean 19.1 P918‐1e 32.8 10.5 12.0 0.85 61.8 72.8taj99a 32.1 2.5 2.5 0.84 14.5 17.3 P918‐1f 42.4 117.3 31.5 0.83 82.1 98.3taj99b 34.4 0.8 2.7 0.83 14.5 17.5 mean 69.9taj99c 66.3 2.8 5.3 0.80 14.6 18.3 P918‐2a 8.4 12.8 1.7 0.77 26.6 34.4

14.5 17.7 P918‐2b 8.1 13.0 1.6 0.74 25.7 34.7taj102a 9.4 3.9 0.6 0.78 11.2 14.5 P918‐2c 8.4 13.2 1.7 0.82 26.4 32taj102b 18 11.4 1.4 0.73 12.3 16.8 P918‐2d 7.7 12 1.3 0.74 22.7 30.4taj102c 14.7 10.6 1 0.73 10.7 14.5 mean 32.9

11.4 15.3 P919‐1a(a) 23.6 16.8 2.6 0.78 17.1 21.8P916‐1a 39.2 29.4 9.9 0.85 39.2 45.9 P919‐1a(b) 21.5 6.7 2.2 0.79 16.9 21.3P916‐1b 76.3 61.1 17.0 0.71 34.4 48.2 P919‐1a(c) 19.9 19 2.3 0.76 17.4 22.9P916‐1c 133.8 97.5 23.1 0.66 27.0 40.6 mean 22.0P916‐1d 68.3 99.4 15.4 0.67 30.5 45.4 P919‐1a 75.7 33.2 6.6 0.79 14.5 18.5P916‐1e 39.5 45.0 6.1 0.62 22.0 35.1 P919‐1b 76.9 35.2 6.2 0.78 13.3 17.2

mean 43.0 P919‐1c 131.8 70.9 11.5 0.80 14.2 17.7P9162a 55.6 42.7 17.3 0.75 48.2 63.7 P919‐1d 16.3 22.6 2 0.85 16.6 19.4P9162b 61.1 61.7 23 0.80 55.5 69.3 14.0 17.8P9162c 47.1 17.2 14.4 0.84 51.1 60.9 P919‐2a 33.4 14 2.8 0.82 13.8 16.9

mean 64.6 P919‐2b 31.3 19.3 3.3 0.81 16.7 20.5P916‐3a 63.9 48.9 15.2 0.79 36.9 46.9 P919‐2c 45.8 26.6 4.5 0.80 16.0 19.8P916‐3b 56.4 39.7 14.3 0.84 40.8 48.4 P919‐2d 32.3 14.4 3.0 0.85 15.4 18.1P916‐3c 34.5 15.0 6.6 0.85 31.8 37.5 P919‐2e 40.2 35.2 3.6 0.80 13.8 17.2

mean 44.3 P919‐2f 11.3 16.2 1.4 0.82 16.7 20.4P916‐4a 56.4 28.6 10.2 0.81 29.5 36.4 mean 18.8P916‐4b 63.9 64.2 13.2 0.82 30.7 37.3 P919‐3a 30.0 10.2 4.4 0.81 24.8 30.5P916‐4c 52.9 55.7 11.3 0.83 31.4 37.9 P919‐3b 18.7 13.0 1.7 0.83 15.1 18.2

mean 37.2 P919‐3c 18.7 8.1 1.5 0.83 13.9 16.8P917‐1a 38.9 59.8 8.5 0.82 29.5 35.9 P919‐3d 11.1 3.1 1.1 0.79 16.0 20.3P917‐1b 78.1 75.7 17.8 0.81 34.1 42.2 mean 18.4P917‐1c 62.0 66.2 14.5 0.81 34.3 42.1 Durango Apatite StandardsP917‐1d 80.0 76.8 16.6 0.79 31.0 39.1 dur1 9.2 195.9 8.2 0.82 27.47 33.7

32.2 39.8 dur2 13.3 253.4 10.2 0.85 25.75 30.5P917‐2a 68.4 70.6 12.7 0.82 27.5 33.6 dur3 12.9 264.4 11.2 0.87 27.494 31.7P917‐2b 87.8 83.0 15.1 0.85 25.9 30.4 dur4 8.3 168.8 7.6 0.87 29.34 33.8P917‐2c 77.0 62.0 11.5 0.80 23.0 28.8 dur5 11.3 202.7 10.1 0.96 31.5 32.8P917‐2d 56.0 73.6 11.3 0.85 28.2 33.3 dur6 9.4 195.9 9.7 0.96 32.1 33.4

mean 31.5 dur7 11.7 205.6 10.1 0.96 30.8 32.0P917‐3a 72.1 45.6 6.9 0.86 15.4 17.9 mean 32.5P917‐3b 32.2 32.2 2.6 0.78 12.1 15.6P917‐3c 79.6 73.6 7.1 0.79 13.4 17.0P917‐3d 74.8 65.5 7.6 0.85 15.4 18.1

mean 17.1

Page 29: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

Online Table 2: Zircon U/Th‐He ResultsS l U Th H FT A FT S l U Th H FT A FTSample U Th He FT  Age FT corr age Sample U Th He FT  Age FT corr age

(ppm) (ppm) (nmol/g) factor (My) (My) (ppm) (ppm) (nmol/g) factor (My) (My)

taj93‐a 2506 1641 331.3 0.83 21.2 25.6 P917‐3a 675 160 517.3 0.82 133.3 162.3taj93‐b 1512 289 168.9 0.84 19.7 23.5 P917‐3b 771 131 553.6 0.82 126.7 153.8taj93‐c 979 553 142.6 0.89 22.1 24.8 P917‐3c 605 83 419.9 0.83 123.6 148.7

mean 24.6 mean 154.9taj96‐a 175 64 16.6 0.74 16.2 21.8 P917‐4a 678 139 427.3 0.81 110.5 136.4taj96‐b 274 56 26.6 0.76 16.4 21.5 P917‐4b 317 89 217.0 0.81 117.8 145.1taj96‐c 215 60 21.8 0.76 17.8 23.4 P917‐4c 940 95 574.6 0.80 109.8 136.7

mean 22.2 mean 139.4taj99‐a 700 238 68.2 0.79 16.8 21.2 p918‐1a 1067 119 459.5 0.78 77.5 99.0taj99‐b 1036 164 125.3 0.88 21.6 24.5 p918‐1b 990 89 386.5 0.75 70.6 94.1taj99‐b 1036 164 125.3 0.88 21.6 24.5 p918‐1b 990 89 386.5 0.75 70.6 94.1taj99‐c 1291 117 109.6 0.74 15.4 20.7 mean 96.5taj99‐d 1318 123 127.4 0.76 17.5 23.2 P919‐1a(a) 1155 229 218.6 0.78 33.5 42.7

mean 22.4 P919‐1a(b) 590 118 116.0 0.77 34.7 44.9taj102‐a 945 205 80.9 0.79 15.1 19.1 P919‐1a(c) 862 144 169.6 0.74 35.1 47.2taj102‐b 263 101 26.9 0.82 17.3 21.2 P919‐1a(d) 646 112 102.3 0.79 28.2 35.7j102 254 554 37 8 0 80 18 2 22 8 42 6taj102‐c 254 554 37.8 0.80 18.2 22.8 mean 42.6

mean 21.0 P919‐1a 479 103 86.5 0.84 32.1 38.1P916‐2a 1406 177 1092.9 0.84 138.5 165.2 P919‐1b 643 140 128.9 0.87 35.3 40.6P916‐2b 1172 99 823.1 0.80 126.5 157.1 P919‐1c 646 148 114.8 0.88 30.5 34.8P916‐2c 190 55 148.6 0.78 134.5 172.5 32.6 37.8

mean 164.9 P919‐2a 534 108 99.8 0.79 33.0 41.7mean 164.9 P919 2a 534 108 99.8 0.79 33.0 41.7P916‐3a 593 52 479.7 0.90 145.4 161.1 P919‐2b 1491 441 303.9 0.82 35.3 43.1P916‐3b 1240 108 730.8 0.73 106.3 145.6 P919‐2c 2174 424 312.1 0.74 25.4 34.2

mean 161.1 mean 39.7P916‐4a 453 97 352.2 0.84 135.7 161.1 P919‐3a 996 160 163.4 0.86 29.3 34.2P916‐4b 314 130 256.4 0.83 136.5 164.7 P919‐3b 875 185 154.3 0.83 31.0 37.4P916 4c 300 35 280 4 0 81 166 2 205 2 P919 3c 1055 205 190 9 0 75 32 1 42 5P916‐4c 300 35 280.4 0.81 166.2 205.2 P919‐3c 1055 205 190.9 0.75 32.1 42.5P916‐4d 474 87 344.2 0.79 127.8 160.8 mean 38.0

mean 162.2 Fish Canyon Tuff StandardsP917‐1a 248 65 241.5 0.80 134.1 167.0 FCT‐1 367 147 49 0.78 22.5 28.8P917‐1b 417 77 334.6 0.79 141.0 178.8 FCT‐2 195 120 26 0.81 21.7 26.8P917‐1c 630 78 467.8 0.77 132.5 172.3 FCT‐3 211 108 28 0.80 22.0 27.5

mean 172.7 mean 27.7P917‐2a 486 54 349.3 0.82 128.6 156.5P917‐2b 268 106 214.2 0.80 134.0 167.9

mean 162.2

Page 30: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

Online Table 3:  Mineral compositions determined by electron microprobe analysis (Oxide Wt. %)Taj93 n Na2O MgO  TiO2  Cr2O3  K2O  CaO SiO2 Al2O3  FeO  MnO  Total

K‐feldspar 6 0.6 0.0 0.0 0.0 15.9 0.0 65.4 18.4 0.1 0.0 100.51σ 0.14 0.01 0.01 0.01 0.25 0.01 0.32 0.07 0.05 0.01 0.43

Plagioclase 6 6.5 0.0 0.0 0.0 0.2 8.9 57.3 26.8 0.0 0.0 99.71σ 0.08 0.01 0.00 0.01 0.03 0.07 0.44 0.18 0.03 0.02 0.53

Hornblende 30 0.9 15.0 0.3 0.1 0.5 12.0 49.5 7.3 10.9 0.3 96.81σ 0.04 0.22 0.04 0.02 0.03 0.08 0.40 0.34 0.20 0.03 0.18

Epidote 2 0.3 0.0 0.0 0.0 0.0 23.1 40.3 30.3 2.3 0.1 96.5Muscovite 3 0.2 1.9 0.1 0.2 10.9 0.0 46.7 31.2 1.8 0.0 93.2Also contains quartz >>> ilmenite > titanite > apatite > zircon. 

Taj96 n Na2O MgO  TiO2  Cr2O3  K2O  CaO SiO2 Al2O3  FeO  MnO  Total

Plagioclase 4 7.0 0.0 0.0 0.0 0.1 7.7 58.9 25.8 0.0 0.0 99.61σ 0.33 0.00 0.00 0.02 0.02 0.71 1.18 0.62 0.04 0.01 0.44

Biotite 9 0.1 3.7 3.0 0.0 9.3 0.0 33.8 17.2 27.3 0.3 94.71σ 0.03 0.23 0.29 0.01 0.40 0.06 0.39 0.64 0.60 0.04 0.86

Garnet 6 0.0 1.2 0.1 0.0 0.0 4.7 37.3 19.9 33.8 3.3 100.31σ 0.02 0.16 0.02 0.00 0.00 0.26 0.80 0.51 0.23 0.29 1.47

Titanite 1 0.0 0.0 14.2 0.0 0.0 25.4 34.9 17.4 6.8 0.1 98.7Also contains quartz >>> muscovite >apatite > zircon.

Taj99 n Na2O MgO  TiO2  Cr2O3  K2O  CaO SiO2 Al2O3  FeO  MnO  Total

Plagioclase 4 7.3 0.0 0.0 0.0 0.1 7.3 59.6 25.3 0.1 0.0 99.71σ 0.12 0.01 0.00 0.00 0.01 0.10 0.25 0.14 0.05 0.01 0.42

Tourmaline 4 0.0 6.4 0.1 0.0 0.0 0.1 23.9 20.5 34.7 0.6 86.31σ 0.03 0.18 0.06 0.01 0.01 0.03 0.34 0.23 0.15 0.04 0.73

Muscovite 5 0.2 1.3 0.3 0.0 11.0 0.0 46.8 30.4 3.4 0.0 93.41σ 0.08 0.26 0.33 0.02 0.10 0.02 0.31 1.18 0.70 0.01 0.01

Biotite 2 0.1 4.5 1.8 0.0 8.4 0.3 34.2 18.1 25.6 0.4 93.4Titanite 1 0.0 0.0 33.8 0.0 0.1 29.5 32.2 3.7 0.4 0.1 99.8Also contains quartz >>> apatite > zircon.

Taj102 n Na2O MgO  TiO2  Cr2O3  K2O  CaO SiO2 Al2O3  FeO  MnO  Total

K‐feldspar 6 0.6 0.0 0.0 0.0 16.0 0.0 64.1 18.3 0.0 0.0 99.01σ 0.18 0.01 0.02 0.00 0.38 0.03 0.32 0.34 0.02 0.01 0.43

Plagioclase 4 8.0 0.0 0.0 0.0 0.2 6.7 59.5 24.6 0.0 0.0 99.01σ 0.20 0.01 0.00 0.01 0.06 0.36 0.76 0.30 0.01 0.01 0.64

Biotite 7 0.1 4.7 2.4 0.0 9.2 0.1 34.4 17.1 25.9 0.4 94.21σ 0.04 0.61 0.17 0.01 0.42 0.06 1.28 0.58 0.58 0.04 0.93

Garnet 6 0.0 0.8 0.0 0.0 0.0 2.9 36.7 19.8 28.6 10.4 99.31σ 0.00 0.05 0.10 0.00 0.00 0.72 0.48 0.23 0.68 0.45 0.37

Epidote 2 0.0 0.0 0.2 0.0 0.0 23.9 37.3 24.4 9.0 0.2 94.9Also contains quartz >>> muscovite>apatite >zircon > titanite.

Page 31: Exhumational history Tajikistancommunity.middlebury.edu/~wamidon/pdfs/...inreview.pdf · 32 the Karakoram and Altyn Tagh/Karakax, both of which terminate in the eastern margin of

Online Table 4:  Bulk Rock GeochemistryP916 1 P916 P917 P919P916‐1 P916 P917 P919

SiO2  40.5 64.3 67.1 63.9TiO2  1.3 0.5 0.4 0.6Al2O3 12.4 16.2 15.6 16.2Fe2O3  10.1 4.5 3.9 5.0MnO  0.2 0.1 0.1 0.1MgO 12.1 2.2 1.2 2.5gCaO  10.2 4.3 3.1 4.4Na2O 3.9 2.5 3.3 2.4K2O 1.9 3.5 3.7 3.5P2O5  2.4 0.2 0.1 0.2LOI 4.3 1.6 1.3 1.3Total: 99.31 99.85 99.89 99.86

Sr 2946.0 414.0 186.0 385.0Ni 347.0 bd bd bdCu 66.0 9.0 11.0 13.0Zn 77.0 58.0 54.0 56.0Rb 35.0 152.0 142.0 140.0Zr 86.0 125.0 141.0 94.0B 703 2 664 0 561 2 659 9Ba 703.2 664.0 561.2 659.9La 112.6 37.1 23.5 29.0Ce 172.1 96.7 58.2 75.2Pr 16.0 8.7 5.8 7.1Nd 50.4 29.0 20.2 24.6Sm 7.1 4.9 4.0 4.4Eu 1.8 1.3 1.0 1.2Gd 7.0 4.8 4.1 4.3Tb 0.8 0.7 0.6 0.6Y 13.1 14.5 20.6 14.9Dy 2.9 2.5 3.2 2.5Ho 0.6 0.5 0.6 0.5Er 1.5 1.3 1.9 1.4Yb 1.4 1.5 2.0 1.4Yb 1.4 1.5 2.0 1.4Lu 0.2 0.3 0.3 0.2V 66.2 54.2 25.4 67.5Cr 200.6 27.0 7.9 31.4Nb 84.5 17.2 19.8 15.8Hf 2.1 3.1 3.4 2.5Ta 2.2 1.6 1.8 1.2Pb 7 3 77 4 44 2 51 7Pb 7.3 77.4 44.2 51.7Th 14.9 16.9 10.3 15.5U 2.5 2.7 2.4 2.4