TY  - THES
A1  - Antonoglou, Nikolaos
T1  - GNSS-based remote sensing: Innovative observation of key hydrological parameters in the Central Andes
T1  - GNSS-basierte Fernerkundung: Innovative Beobachtung der wichtigsten hydrologischen Parameter in den zentralen Anden
N2  - The Central Andean region is characterized by diverse climate zones with sharp transitions between them. In this work, the area of interest is the South-Central Andes in northwestern Argentina that borders with Bolivia and Chile. The focus is the observation of soil moisture and water vapour with Global Navigation Satellite System (GNSS) remote-sensing methodologies. Because of the rapid temporal and spatial variations of water vapour and moisture circulations, monitoring this part of the hydrological cycle is crucial for understanding the mechanisms that control the local climate. Moreover, GNSS-based techniques have previously shown high potential and are appropriate for further investigation. This study includes both logistic-organization effort and data analysis. As for the prior, three GNSS ground stations were installed in remote locations in northwestern Argentina to acquire observations, where there was no availability of third-party data.

The methodological development for the observation of the climate variables of soil moisture and water vapour is independent and relies on different approaches. The soil-moisture estimation with GNSS reflectometry is an approximation that has demonstrated promising results, but it has yet to be operationally employed. Thus, a more advanced algorithm that exploits more observations from multiple satellite constellations was developed using data from two pilot stations in Germany. Additionally, this algorithm was slightly modified and used in a sea-level measurement campaign. Although the objective of this application is not related to monitoring hydrological parameters, its methodology is based on the same principles and helps to evaluate the core algorithm. On the other hand, water-vapour monitoring with GNSS observations is a well-established technique that is utilized operationally. Hence, the scope of this study is conducting a meteorological analysis by examining the along-the-zenith air-moisture levels and introducing indices related to the azimuthal gradient.

The results of the experiments indicate higher-quality soil moisture observations with the new algorithm. Furthermore, the analysis using the stations in northwestern Argentina illustrates the limits of this technology because of varying soil conditions and shows future research directions. The water-vapour analysis points out the strong influence of the topography on atmospheric moisture circulation and rainfall generation. Moreover, the GNSS time series allows for the identification of seasonal signatures, and the azimuthal-gradient indices permit the detection of main circulation pathways.
N2  - Die Zentralanden sind eine Region, in der verschiedene Klimazonen nur durch kurze Übergänge gekennzeichnet sind. Der geographische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den südlichen Zentralanden im Grenzgebiet zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, und der wissenschaftliche Schwerpunkt ist in der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfs mit Fernerkundungsmethoden des Globales Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System - GNSS) angesiedelt. Wegen der raschen zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Wasserdampfs und den damit häufig verbundenen Niederschlägen und der Feuchtigkeitszirkulation ist die Beobachtung dieses Teils des hydrologischen Zyklus von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des lokalen Klimas. Darüber hinaus haben GNSS-gestützte Techniken in anderen Studien bereits ein hohes Potenzial gezeigt, erfordern aber in einigen Bereichen weitere Untersuchungen. Diese Studie umfasst sowohl logistischen Aufwand als auch Datenanalyse. Dazu wurden drei GNSS-Bodenstationen in abgelegenen Orten im Nordwesten Argentiniens installiert, um Beobachtungen zu sammeln, da dort keine externen Daten verfügbar waren.

Die methodische Entwicklung für die Beobachtung der Klimavariablen Bodenfeuchtigkeit und Wasserdampfs ist unabhängig voneinander. Die Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie ist eine Annäherung, die vielversprechende Ergebnisse erbracht hat, aber bisher noch nicht operationell eingesetzt wurde. Daher wurde ein fortschrittlicherer Algorithmus entwickelt, der Beobachtungen von mehreren Satellitenkonstellationen nutzt und unter anderem Daten von zwei Pilotstationen in Deutschland verwendet. Außerdem wurde dieser Algorithmus leicht modifiziert und in einer Meeresspiegelmesskampagne eingesetzt. Obwohl diese Andwendung nicht direkt mit der Überwachung hydrologischer Parameter zusammenhängt, basiert die Methodik auf denselben Prinzipien und hilft bei der Bewertung des entwickelten Algorithmus. Auf der anderen Seite ist die Überwachung des Wasserdampfs mit GNSS-Beobachtungen eine anerkannte Technik, die in der Praxis bereits seit mehreren Jahren eingesetzt wird. Diese Studie befasst sich daher mit der Durchführung einer meteorologischen Analyse der Luftfeuchtigkeitswerte entlang des Zenits und der Entwicklung von klimatischen Indizes, die sich auf den azimutalen Gradienten beziehen.

Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass die Qualität der Bodenfeuchtebeobachtungen mit dem neuen Algorithmus vielversprechend und besser sind. Darüber hinaus zeigt die Analyse anhand der Stationen im nordwesten Argentiniens die Grenzen dieser Technologie aufgrund der sehr unterschiedlichen Bodenbedingungen auf und gibt mögliche zukünftige Forschungsrichtung an. Die Wasserdampfanalyse verdeutlicht den Einfluss der Topographie auf die Luftfeuchtigkeit und der Regenmenge. Außerdem ermöglichen die GNSS-Zeitreihen die Identifizierung der jahreszeitlichen Signaturen, und Messungen der azimutal Gradienten erlauben die Erkennung der wichtigsten Zirkulationswege.
KW  - remote sensing
KW  - GNSS
KW  - GPS
KW  - water vapour
KW  - soil moisture
KW  - Central Andes
KW  - zentrale Anden
KW  - globales Navigationssatellitensystem
KW  - globales Positionsbestimmungssystem
KW  - Fernerkundung
KW  - Bodenfeuchtigkeit
KW  - Wasserdampf
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628256
ER  - 
TY  - THES
A1  - Castino, Fabiana
T1  - Climate variability and extreme hydro-meteorological events in the Southern Central Andes, NW Argentina
T1  - Klimavariabilität und extreme hydro-meteorologische Ereignisse in den südlichen Zentralanden, NW Argentinien
N2  - Extreme hydro-meteorological events, such as severe droughts or heavy rainstorms, constitute primary manifestations of climate variability and exert a critical impact on the natural environment and human society. This is particularly true for high-mountain areas, such as the eastern flank of the southern Central Andes of NW Argentina, a region impacted by deep convection processes that form the basis of extreme events, often resulting in floods, a variety of mass movements, and hillslope processes. This region is characterized by pronounced E-W gradients in topography, precipitation, and vegetation cover, spanning low to medium-elevation, humid and densely vegetated areas to high-elevation, arid and sparsely vegetated environments. This strong E-W gradient is mirrored by differences in the efficiency of surface processes, which mobilize and transport large amounts of sediment through the fluvial system, from the steep hillslopes to the intermontane basins and further to the foreland. In a highly sensitive high-mountain environment like this, even small changes in the spatiotemporal distribution, magnitude and rates of extreme events may strongly impact environmental conditions, anthropogenic activity, and the well-being of mountain communities and beyond. However, although the NW Argentine Andes comprise the catchments for the La Plata river that traverses one of the most populated and economically relevant areas of South America, there are only few detailed investigations of climate variability and extreme hydro-meteorological events. 
In this thesis, I focus on deciphering the spatiotemporal variability of rainfall and river discharge, with particular emphasis on extreme hydro-meteorological events in the subtropical southern Central Andes of NW Argentina during the past seven decades. I employ various methods to assess and quantify statistically significant trend patterns of rainfall and river discharge, integrating high-quality daily time series from gauging stations (40 rainfall and 8 river discharge stations) with gridded datasets (CPC-uni and TRMM 3B42 V7), for the period between 1940 and 2015. Evidence for a general intensification of the hydrological cycle at intermediate elevations (~ 0.5 – 3 km asl) at the eastern flank of the southern Central Andes is found both from rainfall and river-discharge time-series analysis during the period from 1940 to 2015. This intensification is associated with the increase of the annual total amount of rainfall and the mean annual discharge. However, most pronounced trends are found at high percentiles, i.e. extreme hydro-meteorological events, particularly during the wet season from December to February.An important outcome of my studies is the recognition of a rapid increase in the amount of river discharge during the period between 1971 and 1977, most likely linked to the 1976-77 global climate shift, which is associated with the North Pacific Ocean sea surface temperature variability. Interestingly, after this rapid increase, both rainfall and river discharge decreased at low and intermediate elevations along the eastern flank of the Andes. In contrast, during the same time interval, at high elevations, extensive areas on the arid Puna de Atacama plateau have recorded increasing annual rainfall totals. This has been associated with more intense extreme hydro-meteorological events from 1979 to 2014. This part of the study reveals that low-, intermediate, and high-elevation sectors in the Andes of NW Argentina respond differently to changing climate conditions. 
Possible forcing mechanisms of the pronounced hydro-meteorological variability observed in the study area are also investigated. For the period between 1940 and 2015, I analyzed modes of oscillation of river discharge from small to medium drainage basins (102 to 104 km2), located on the eastern flank of the orogen. First, I decomposed the relevant monthly time series using the Hilbert-Huang Transform, which is particularly appropriate for non-stationary time series that result from non-linear natural processes. I observed that in the study region discharge variability can be described by five quasi-periodic oscillatory modes on timescales varying from 1 to ~20 years. Secondly, I tested the link between river-discharge variations and large-scale climate modes of variability, using different climate indices, such as the BEST ENSO (Bivariate El Niño-Southern Oscillation Time-series) index. This analysis reveals that, although most of the variance on the annual timescale is associated with the South American Monsoon System, a relatively large part of river-discharge variability is linked to Pacific Ocean variability (PDO phases) at multi-decadal timescales (~20 years). To a lesser degree, river discharge variability is also linked to the Tropical South Atlantic (TSA) sea surface temperature anomaly at multi-annual timescales (~2-5 years). 
Taken together, these findings exemplify the high degree of sensitivity of high-mountain environments with respect to climatic variability and change. This is particularly true for the topographic transitions between the humid, low-moderate elevations and the semi-arid to arid highlands of the southern Central Andes. Even subtle changes in the hydro-meteorological regime of these areas of the mountain belt react with major impacts on erosional hillslope processes and generate mass movements that fundamentally impact the transport capacity of mountain streams. Despite more severe storms in these areas, the fluvial system is characterized by pronounced variability of the stream power on different timescales, leading to cycles of sediment aggradation, the loss of agriculturally used land and severe impacts on infrastructure.
N2  - Extreme hydro-meteorologische Ereignisse, wie langanhaltende Dürren oder Starkregen, gelten als Haupterscheinungsform der Klimavariabilität und haben einen entscheidenden Einfluss auf Umwelt und Gesellschaft. Dies gilt im Besonderen für die großen Gebirgsregionen dieser Erde. In einer extrem sensiblen Hochgebirgsregion wie den NW argentinischen Anden haben selbst geringe Veränderungen in der Intensität solcher Extremereignisse, sowie deren Häufigkeit und räumliche Verteilung, nicht nur einen großen Einfluss auf die Landschaftsentwicklung; flussabwärtsliegende Gemeinden sind zudem wirtschaftlich als auch humanitär einem hohen Risiko ausgesetzt. Die vorliegende Arbeit befasst sich im Wesentlichen mit der räumlich-zeitlichen Verteilung von Niederschlags- und Abflussmengen über den Zeitraum der letzten sieben Jahrzente, mit besonderem Fokus auf extreme hydro-meteorologische Ereignisse der subtropischen Zentralanden NW-Argentiniens. Um räumliche und zeitliche statistisch signifikante Trends der Niederschlags- und Abflussmengen bestimmen und quantifizieren zu können, finden in dieser Arbeit verschiedene Methoden Anwendung, in denen hochaufgelöste Zeitreihen von Niederschlags- und Abflussmengenstationen mit diversen Rasterdatensätzen von 1940 bis 2015 kombiniert werden. Über den betrachteten Zeitraum hinweg lässt sich eine allgemeine Intensivierung des hydrologischen Kreislaufes auf mittleren Höhen (500 - 3.000 m ü. NN) belegen. Diese Intensivierung steht einerseits im Zusammenhang mit dem Ansteigen von Extremwetterereignissen, besonders während der Regenzeit von Dezember bis Februar. Der beobachtete Anstieg in der Intensität dieser Wetterlagen deutet auf einen Zusammenhang der schweren Regenstürme und der Verlandung der Abflussbecken in der untersuchten, intermontanen Region hin. Ein rapider Anstieg in der Abflussmenge in Flüssen um bis zu 40% ist für den Zeitraum zwischen 1971 und 1977 dokumentiert. Dieser steht höchstwahrscheinlich mit der globalen Klimaverschiebung von 1976-77 in Zusammenhang, welche wiederum durch die Variabilität der Oberflächentemperatur des Pazifischen Ozeans beeinflusst wird. Nach diesem starken Anstieg können jedoch abnehmende Trends in Niederschlags- wie auch Abflussmengen auf niedrigen und mittleren Höhen der Ostflanken der Anden beobachtet werden. Im Gegensatz dazu belegen ein Anstieg der jährlichen Gesamtniederschlagsmenge sowie der Magnitude von extremen hydro-meterologischen Ereignissen in hohen Höhenlagen der trockenen Puna de Atacama Plateaus, dass niedrige, mittlere und hohe Sektoren der NW argentinischen Anden unterschiedlich auf Änderungen des Klimas reagieren. Schlussendlich kann die in der Region beobachtete, stark ausgeprägte Variabilität in der Hydro-meteorologie über jährliche Zeiträume zum größten Teil mit dem Südamerikanischen Monsunsystem erklärt werden. Jedoch sind große Anteile in der Variabilität der Abflussmenge auch stark an die Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO) in Zeiträumen über mehrereJahrzehnte (~20 Jahre) gekoppelt und zu einem geringeren Anteil auch an die Meeresoberflächentemperatur-Anomalie des tropischen Südatlantiks (TSA) über mehrjährige Zeiträume hinweg (~2-5 Jahre). Interessanterweise wurden nur weniger stark ausgeprägte Zusammenhänge zwischen der Abflussvariabilität und El Niño-Southern Oscillation in unserem Untersuchungsgebiet gefunden.
KW  - climate variability
KW  - extreme hydrometeorological events
KW  - Central Andes
KW  - Klimavariabilität
KW  - extreme hydro-meteorologische Ereignisse
KW  - Zentralanden
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396815
ER  - 
TY  - THES
A1  - Liu, Sibiao
T1  - Controls of foreland-deformation patterns in the orogen-foreland shortening system
N2  - The Andean Plateau (Altiplano-Puna Plateau) of the southern Central Andes is the second-highest orogenic plateau on our planet after Tibet. The Andean Plateau and its foreland exhibit a pronounced segmentation from north to south regarding the style and magnitude of deformation. In the Altiplano (northern segment), more than 300 km of tectonic shortening has been recorded, which started during the Eocene. A well-developed thin-skinned thrust wedge located at the eastern flank of the plateau (Subandes) indicates a simple-shear shortening mode. In contrast, the Puna (southern segment) records approximately half of the shortening of the Altiplano - and the shortening started later. The tectonic style in the Puna foreland switches to a thick-skinned mode, which is related to pure-shear shortening. In this study, carried out in the framework of the StRATEGy project, high-resolution 2D thermomechanical models were developed to systematically investigate controls of deformation patterns in the orogen-foreland pair. The 2D and 3D models were subsequently applied to study the evolution of foreland deformation and surface topography in the Altiplano-Puna Plateau. The models demonstrate that three principal factors control the foreland-deformation patterns: (i) strength differences in the upper lithosphere between the orogen and its foreland, rather than a strength difference in the entire lithosphere; (ii) gravitational potential energy of the orogen (GPE) controlled by crustal and lithospheric thicknesses, and (iii) the strength and thickness of foreland-basin sediments. The high-resolution 2D models are constrained by observations and successfully reproduce deformation structures and surface topography of different segments of the Altiplano-Puna plateau and its foreland. The developed 3D models confirm these results and suggest that a relatively high shortening rate in the Altiplano foreland (Subandean foreland fold-and-thrust belt) is due to simple-shear shortening facilitated by thick and mechanically weak sediments, a process which requires a much lower driving force than the pure-shear shortening deformation mode in the adjacent broken foreland of the Puna, where these thick sedimentary basin fills are absent. Lower shortening rate in the Puna foreland is likely accommodated in the forearc by the slab retreat.
N2  - Das Andenplateau (Altiplano-Puna-Plateau) in den südlichen Zentralanden ist nach Tibet das zweithöchste orogene Plateau auf unserem Planeten. Dieses Plateau und sein Vorland weisen eine ausgeprägte Segmentierung von Nord nach Süd hinsichtlich Art und Ausmaß der Verformung auf. Im Altiplano (nördliches Segment) wird seit der im Eozän stattfindenden Deformation mehr als 300 km tektonische Verkürzung dokumentiert. Ein gut entwickelter sedimentärer Schubkeil bzw. Vorland-Überschiebungsgürtel (Subandin) an der Ostflanke des Plateaus (thin-skinned foreland deformation) deutet in dieser Region des Vorlandes auf Prozesse einfacher Scherung hin (simple-shear modus). Im Gegensatz dazu weist die Puna (südliches Plateausegment) ungefähr die Hälfte der Verkürzung des Altiplano auf - und die Verkürzung begann später. Außerdem geht der tektonische Stil im Puna-Vorland zu einem zerbrochenen Vorland mit Kristallinblöcken (thick-skinned foreland) über, der mit der Verkürzung durch reine Scherung (pure-shear modus) erklärt werden kann. In dieser Studie, die im Rahmen des StRATEGy-Projekts durchgeführt wurde, wurden hochauflösende thermomechanische 2D-Modelle entwickelt, um systematisch die Kontrolle von Verformungsmustern im Orogen-Vorland-Paar zu untersuchen. Die 2D- und 3D-Modelle wurden anschließend angewendet, um die Entwicklung der Vorlanddeformation und der Oberflächentopographie im Altiplano-Puna-Plateau zu verstehen. Die Modelle zeigen, dass drei Hauptfaktoren die Deformationsmuster des Vorlandes steuern: (i) Festigkeitsunterschiede in der oberen Lithosphäre zwischen dem Orogen und seinem Vorland - und nicht Festigkeitsunterschiede in der gesamten Lithosphäre; (ii) die gravitationsbezogene potentielle Energie des Orogens (GPE), die durch die Krusten- und Lithosphärenmächtigkeit gesteuert wird und (iii) die Festigkeit sowie Mächtigkeiten der Vorlandbeckensedimente. Die hochauflösenden 2D-Modelle sind auf tatsächliche Daten aus Beobachtungen beschränkt und reproduzieren erfolgreich Deformationsstrukturen sowie die topographischen Verhältnisse der verschiedenen Segmente des Altiplano-Puna-Plateaus und seines Vorlandes. Die entwickelten 3D-Modelle bestätigen diese Ergebnisse und legen nahe, dass die relativ hohe Verkürzungsrate im Altiplano-Vorland (Subandin) bei den vorhandenen mächtigen Sedimentabfolgen geringer mechanischer Festigkeit weniger Kraftaufwand erfordert als die Deformation des Puna-Vorlandes, wo diese Sedimente weitgehend fehlen. Die geringeren Verkürzungsbeträge im Puna-Vorland werden wahrscheinlich durch das Zurückweichen der Subduktionszone im Forearc-Bereich ausgeglichen.
KW  - geodynamics
KW  - numerical modeling
KW  - Central Andes
KW  - foreland deformation
KW  - geophysics
KW  - Geodynamik
KW  - numerische Modellierung
KW  - Zentralanden
KW  - Vorlanddeformation
KW  - Geophysik
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445730
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pilz, Peter
T1  - Ein neues magmatisch-tektonisches Modell zur Asthenosphärendynamik im Bereich der zentralandinen Subduktionszone Südamerikas
T1  - A new tectono-magmatic model of asthenospheric processes in the Central Andean subduction zone of South America
N2  - Im Rahmen der Dissertation wurden an Wässern und freien Gasen aus Thermalquellen sowie an weniger als 5 Millionen Jahre alten basischen Vulkaniten des zentralandinen Puna-Hochplateaus (NE-Argentinien) umfangreiche element- und isotopengeochemische Untersuchungen durchgeführt und die Edelgasgehalte und -isotopensignaturen in diesen Medien bestimmt. Damit soll ein Beitrag zum besseren Verständnis der jüngeren Subduktionsgeschichte im Bereich der südlichen Zentralanden geleistet, die Wechselwirkungen zwischen ozeanischer Unter- und kontinentaler Oberplatte sichtbar gemacht und die Edelgassystematik verbessert werden. Wie die Ergebnisse der Untersuchungen an Gasen aus den Thermalquellen der Puna-Region zeigen, ist der Anteil an Mantel-Helium in den Thermalquellen dieser Region mit bis zu 67 % wesentlich höher als in der westlich gelegenen vulkanisch aktiven Westkordillere und den anderen angrenzenden Gebieten. In einigen Quellen konnten sogar Anteile an Mantel-Neon nachgewiesen werden, was aufgrund von Überlagerungen mit Neon atmosphärischen und krustalen Ursprungs weltweit bisher nur vereinzelt gelungen ist. Für kontinentale Bereiche mit großer Krustendicke ist ein solch starker Mantelgasfluss äußerst ungewöhnlich und bedeutet, dass Mantelschmelzen bis in die Kruste aufgedrungen sind und tief reichende Wegsamkeiten existieren, so dass die Mantelgase aufsteigen können, ohne stark krustal beeinflusst zu werden. Dass im Bereich der Puna rezent Mantelmaterial in die Kruste aufsteigt, zu diesem Ergebnis kommen auch aktuelle seismologische Untersuchungen. Zudem wurden junge, vorwiegend monogenetische Basalte bis basaltische Andesite geochemisch auf ihre Haupt-, Neben- und Spurenbestandteile sowie ihre Gehalte an Seltenenerdenelementen hin untersucht. Auch wurden die Isotopenverhältnisse von Sr, Nd und Pb in den Gesteinen bestimmt und petrographisch-mineralogische Analysen der darin enthaltenen Olivine und Pyroxene durchgeführt. Wie die Resultate belegen, haben die Magmen bei ihrem Aufstieg durch die Erdkruste insbesondere Material aus der Oberkruste assimiliert und sind zudem durch Fluide aus der abtauchenden Platte beeinflusst worden. Damit konnte gezeigt werden, dass einfache geochemische Methoden allein nicht ausreichen, um die Mantelquelle der Magmen ermitteln oder Aussagen über die Asthenosphärendynamik in der Region machen zu können. Im Gegensatz dazu zeigen die Messungen der Edelgasisotopenverhältnisse in den Fluideinschlüssen der Olivine und Pyroxene, dass deren Edelgaszusammensetzung nicht durch Krustenkontamination beeinflusst wurde, weil die Magmen erst nach der Olivin- bzw. Pyroxen-Kristallisation Schmelzen aus der Oberkruste assimiliert haben. Darüber hinaus konnten durch die Edelgasisotopenmessungen die bisher höchsten magmatischen He- und Ne-Isotopenverhältnisse von ganz Südamerika nachgewiesen werden. Aus der unterschiedlichen Höhe der Messwerte ist zu schließen, dass die im Osten der Puna vorkommenden älteren Laven aus einem nichtkonvektiven (lithosphärischen) Mantel stammen, während die am vulkanischen Bogen und Westrand der Puna gelegenen jüngeren Laven, ihren Ursprung in einer konvektiven (asthenosphärischen) Mantelquelle haben. Zudem konnte gezeigt werden, dass der Mantelgasfluss in der Region in den letzten 5 Millionen Jahren stark zunahm und sich die Eruption von mantelstämmigen basischen Laven in dieser Zeit kontinuierlich in westliche Richtung zum aktiven Vulkanbogen hin verlagerte. Im daraus abgeleiteten Modell beruht dieser Prozess (1) auf einer an die Kontinentalverschiebung gekoppelten W-Drift des Kontinents und (2) auf einem mit der Versteilung der Unterplatte verbundenen Vordringen des subkontinentalen asthenosphärischen Mantels nach W, nach dem Ende der Subduktion des unterseeischen aseismischen Juan Fernández-Rückens in der Region. Zudem gibt es starke Argumente dafür, dass die asthenosphärischen Magmen aus einer fluidreichen Zone in 500 – 600 km Tiefe parallel zur subduzierten Platte aufsteigen und nicht, wie bisher angenommen, durch Schmelzbildung in Bereichen unter 200 km Tiefe, allein durch Entwässerung der abtauchenden Platte erzeugt werden. Zu diesem Resultat führt vor allem die Kombination der He-Isotopenverhältnisse mit Ergebnissen seismologischer Untersuchungen.
N2  - This study has determined the concentrations and isotopic composition of noble gases in water and gas samples from thermal springs and in samples of post Miocene basic volcanic rocks from the central Andean Puna Plateau (NW Argentina). The aim of this study is to shed light on questions related to the Neogene subduction history, the geochemical relationship between the oceanic and continental plate and on the distribution of noble gases in mantle-derived rocks of the Central Andes. The results of the geothermal water study show that the Puna plateau has higher values of mantle-derived He between 22° and 26° S compared to the neighbouring Western and Eastern Cordilleras. The highest 3He/4He ratio (5,4 Ra) was obtained close to the Tuzgle volcano, and this is rather high for back-arc gases considering they have ascended through a relatively thick 65 km crust, enriched in crustal 4He. In some cases it was also possible to detect the presence of mantle-derived Ne, which has so far only been demonstrated in a few locations around the world, because of the ubiquitous contamination by atmospheric- and crustal-Ne. Hence, this study clearly demonstrates a higher flux of noble gases from the mantle in the Puna Plateau region than in nearby regions of the Altiplano, the Salta-Rift and the Eastern and Western Cordilleras. In addition to the water study, a series of samples from post Miocene basic volcanic rocks in the Puna back-arc region were analyzed for major, minor and trace element composition as well as Sr, Nd and Pb isotopic ratios. Mineralogical analysis of olivine and pyroxenes from the lavas show that the rocks compositions have signatures that vary depending on the distance from the volcanic arc. Accordingly, magma compositions reflect processes that took place in the subduction-modified mantle wedge and the overlying continental plate. During their ascent, most of the magmas were contaminated with acid crustal melts that mask the geochemical signature of their mantle sources. This makes it difficult to accurately reconstruct the specific geotectonic setting for the magmas and their related mantle sources from the whole rock compositions. However, it is possible to put limits on the origin and amount of contamination from the Pb, Nd and Sr isotopic data. The results show that contaminants are mainly from the upper mantle. Mixing models suggest degrees of crustal assimilation on the order of 10 % and less. Given the problems of interpreting conventional geochemical studies on the origin of the back-arc magmas as just described, the combination of whole rock geochemical results with the corresponding noble gas data is potentially very important. For this purpose, olivine and pyroxene mineral separates mechanically and thermally degassed in order to measure their noble gases content and isotopic ratios. As the results show, the He isotopic signatures in the rocks are quite variable (4,5 - 8,1 Ra), depending on the age and distance to the volcanic arc. Whereas the samples nearest to the arc have MORB-type 3He/4He > 7 Ra, those farthest from the arc have 3He/4He < 7 Ra similar to the typical signature of a subcontinental lithospheric mantle (SCLM). The youngest Puna lavas have the highest primordial 3He/4He ratios and therefore the highest values for mantle-derived He yet found in the whole Andes chain. This implies that the mantle gas flux in the Puna region has increased since the Pliocene while during the same time interval, the focus of back-arc volcanic activity migrated progressively west towards the position of the present volcanic arc. This migration can be correlated with steepening of the subducted slab and advance of the asthenospheric mantle wedge to the west as a consequence of the drift of the Juan Fernández ridge towards the south. A consequence of the westward drift of the subduction zone at ca. 26 km/Ma is the ascent of asthenosphere into the mantle wedge. Geophysical studies suggest that this material ascends parallel to the slab (return flow). The He isotopic signatures from this study show that the asthenospheric ascent was not spacious but took place along certain channels or branches that may relate to deep-reaching weak lithospheric zones but not to a widespread delamination in the SCLM. The isotopic He, Ne and Xe relations of the lava samples collected in the back-arc region far from the volcanic arc indicate the presence of SCLM during back-arc volcanism in this region, which is a grave argument against a crustal delamination. Crustal contamination could not have been responsible for these values as the assimilation of crustal melts essentially took place after the olivine crystallization, as indicated by the variations in Sr- and He-isotope data and the coexistence of quartz and olivine in the samples.
KW  - Zentralanden
KW  - Asthenosphäre
KW  - Subduktionszone
KW  - Edelgasisotope
KW  - Vulkanismus
KW  - Central Andes
KW  - asthenosphere
KW  - subduction zone
KW  - noble gas isotopes
KW  - volcanism
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-20206
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TY  - THES
A1  - Quiroga  Carrasco, Rodrigo Adolfo
T1  - Cenozoic style of deformation and spatiotemporal variations of the tectonic stress field in the southern central Andes
T1  - Estudio del estilo de deformación y variación espacio
T1  - Känozoischer Deformationsstil und raum-zeitliche Variationen des tektonischen Spannungsfeldes in den südlichen Zentralanden
BT  - temporal del campo de esfuerzos imperante durante el cenozoico a lo largo de la transecta Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero (26°30-27°30´s), Andes centrales del sur
BT  - Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero transect (27°30´s)
BT  - Laguna del Negro Francisco-Santiago del estero transect (27°30's)
N2  - The central Andean plateau is the second largest orogenic plateau in the world and has formed in a non-collisional orogenic system. It extends from southern Peru (15°S) to northern Argentina and Chile (27°30'S) and reaches an average elevation of 4,000 m.a.s.l. South of 24°S, the Andean plateau is called Puna and it is characterized by a system of endorheic basins with thick sequences where clastic and evaporitic strata are preserved. Between 26° and 27°30'S, the Puna terminates in a structurally complex zone which coincides with the transition from a normal subduction zone to a flat subduction ("flat slab") zone, which extends to 33°S. This transition zone also coincides with important morphostructural provinces that, from west to east, correspond to i) the Cordillera Frontal, where the Maricunga Belt is located; ii) the Famatina system; and iv) the north-western, thick-skinned Sierras Pampeanas. Various structural, sedimentological, thermochronological and geochronological studies in this region have documented a complex history of deformation and uplift during successive Cenozoic deformation events. These processes caused the increase of crustal thickness, as well as episodes of diachronic uplift, which attained its present configuration during the late Miocene. Subsequently, the plateau experienced a change in deformation style from contraction to extension and transtension documented by ubiquitous normal faults, earthquakes, and magmatic rocks. However, at the southern edge of the Puna plateau and in the transition to the other morphostructural provinces, the variation of deformation processes and the changes in the tectonic stress field are not fully understood. This location is thus ideally located to evaluate how the tectonic stress field may have evolved and how it may have been affected by the presence/absence of an orogenic plateau, as well as by the existence of inherited structural anisotropies within the different tectonic provinces.
This thesis investigates the relationship between shallow crustal deformation and the spatiotemporal evolution of the tectonic stress field in the southern sector of the Andean plateau, during pre-, syn- and post-uplift periods of this plateau. To carry out this research, multiple methodological approaches were chosen that include (U-Pb) radiometric dating; the analysis of mesoscopic faults to obtain stress tensors and the orientation of the principal stress axes; the determination of magnetic susceptibility anisotropy in sedimentary and volcanoclastic rocks to identify shortening directions or directions of sedimentary transport; kinematic modeling to infer deep crustal structures and deformation; and finally, a morphometric analysis to identify geomorphological indicators associated with Quaternary tectonism. 
Combining the obtained results with data from published studies, this study reveals a complex history of the tectonic stress field that has been characterized by changes in orientation and by vertical permutations of the principal stress axes during each deformation regime over the last ~24 Ma. The evolution of the tectonic stress field can be linked with three orogenic phases at this latitude of the Andean orogen: (1) a first phase with an E-W-oriented compression documented between Eocene and middle Miocene, which coincided with Andean crustal thickening, lateral growth, and topographic uplift; (2) a second phase characterized by a compressive transpressional stress regime, starting at ~11 Ma and ~5 Ma on the western and eastern edge of the Puna plateau, respectively, and a compressive stress regime in the Famatina system and the Sierras Pampeanas, which is interpreted to reflect  a transition between Neogene orogenic construction and the maximum accumulation of deformation and topographic uplift of the Puna plateau; and (3) a third phase, when the tectonic regime caused a changeover to a tensional stress state that followed crustal thickening and the maximum uplift of the plateau between ~5-4 Ma; this is especially well expressed in the Puna, in its western border area with the Maricunga-Valle Ancho Belt, and along its eastern border in the transition with the Sierras Pampeanas. The results of the study thus document that the plateau rim experienced a shift from a compressional to a transtensional regime, which differs from the tensional state of stress of the Andean Plateau in the northern sectors for the same period. Similar stress changes have been documented during the construction of the Tibetan plateau, where a predominantly compressional stress regime changed to a transtensional regime, but which was superseded by a purely tensional regime, between 14 and 4 Ma.
N2  - El plateau Andino es el segundo plateau orogénico más grande del mundo y se ubica en los Andes Centrales, desarrollado en un sistema orogénico no colisional. Se extiende desde el sur del Perú (15°S), hasta el norte de Argentina y Chile (27°30´S). A partir de los 24°S y prologándose hacia el sur, el plateau Andino se denomina Puna y está caracterizado por un sistema de cuencas endorreicas y salares delimitados por cordones montañosos. Entre los 26° y 27°30´S, la Puna encuentra su límite austral en una zona de transición entre una zona de subducción normal y una zona de subducción plana o “flat slab” que se prolonga hasta los 33°S. Diversos estudios documentan la ocurrencia de un aumento del espesor cortical, y levantamiento episódico y diacrónico del relieve, alcanzando su configuración actual durante el Mioceno tardío. Posteriormente, el plateau habría experimentado un cambio en el estilo de deformación dominado por procesos extensionales evidenciado por fallas y terremotos de cinemática normal. Sin embargo, en el borde sur del plateau de la Puna y en las áreas delimitadas con el resto del orógeno, la variación del campo de esfuerzo no está del todo comprendida, reflejando una excelente oportunidad para evaluar cómo el campo de esfuerzo puede evolucionar durante el desarrollo del orógeno y cómo puede verse afectado por la presencia/ausencia de un plateau orogénico, así como también por la existencia de anisotropías estructurales propias de cada unidad morfotectónica.
Esta Tesis investiga la relación entre la deformación cortical somera y la evolución en tiempo y espacio del campo de esfuerzos en el sector sur del plateau Andino, durante el cenozoico tardío. Para realizar esta investigación, se utilizaron técnicas de obtención de edades radiométricas con el método Uranio-Plomo (U-Pb), análisis de fallas mesoscópicas para la obtención de tensores de esfuerzos y delimitación de la orientación de los ejes principales de esfuerzos, análisis de anisotropía de susceptibilidad magnética en rocas sedimentarias y volcanoclásticas para estimar direcciones de acortamiento o direcciones de transporte sedimentario, técnicas de modelado cinemático para llegar a una aproximación de las estructuras corticales profundas asociadas a la deformación allí registrada, y un análisis morfométrico para la identificación de indicadores geomorfológicos asociados a deformación producto de la actividad tectónica cuaternaria.
Combinando estos resultados con los antecedentes previamente documentados, el estudio revela una compleja variación del campo de esfuerzo caracterizado por cambios en la orientación y permutaciones verticales de los ejes principales de esfuerzos, durante cada régimen de deformación, durante los últimos ~24 Ma. La evolución del campo de esfuerzos puede ser asociada temporalmente a tres fases orogénicas involucradas con la evolución de los Andes Centrales en esta latitud: (1) una primera fase con un régimen de esfuerzos compresivos de acortamiento E-O documentado desde el Eoceno, Oligoceno tardío hasta el Mioceno medio en el área, coincide con la fase de construcción andina, engrosamiento y crecimiento de la corteza y levantamiento topográfico; (2) una segunda fase caracterizada por un régimen de esfuerzos de transcurrencia, a partir de los ~11 Ma en el borde occidental y compresión y transcurrencia a los~5 Ma en el borde oriental del plateau de la Puna, y un régimen de esfuerzo compresivos en Famatina y las Sierras Pampeanas interpretado como una transición entre la construcción orogénica del Neógeno y la máxima acumulación de deformación y el alzamiento topográfico del plateau de la Puna, y (3) una tercera fase donde el régimen se caracteriza por la transcurrencia en la Puna y en su borde occidental y en su borde oriental con las Sierras Pampeanas, después de ~5-4 Ma, interpretado como un régimen de esfuerzos controlados por el engrosamiento cortical desarrollado a lo largo del borde sur del plateau Altiplano/Puna, previo a un colapso orogénico. Los resultados dejan en evidencia que el borde del plateau experimentó el paso desde un régimen compresivo hacia uno transcurrente, que se diferencia de la extensión documentada hacia el norte en el plateau Andino para el mismo período. Cambios en los esfuerzos similares han sido documentado durante la construcción del plateau Tibetano, en donde un régimen de esfuerzo predominantemente compresivo cambió a un régimen de transcurrente cuando el plateau habría alcanzado la mitad de su elevación actual, y que posteriormente derivó en un régimen extensional, entre 14 y 4 Ma, cuando la altitud del plateau fue superior al 80% respecto a su actitud actual, lo que podría estar indicando que los regímenes transcurrentes representan etapas transicionales entre las zonas externas del plateau bajo compresión y las zonas internas, en las que los regímenes extensionales son más viables de ocurrir.
N2  - Die südlichen Zentralen Anden beherbergen das zweitgrößte orogene Plateau der Welt (Altiplano-Puna); im Gegensatz zu Tibet hat sich dieses Plateau in einem nicht-kollisionalen Gebirgsbildungssystem gebildet. Es erstreckt sich vom Süden Perus (15°S) bis zum Norden Argentiniens und Chiles (27°30'S) und erreicht eine durchschnittliche Höhe von 4.000 m.ü.d.M. Südlich von 24°S wird das Andenplateau Puna genannt und ist durch ein System von endorheischen Becken mit mächtigen sedimentären Abfolgen gekennzeichnet, in denen klastische und evaporitische Schichten erhalten sind. Zwischen 26° und 27°30'S endet die Puna in einer strukturell komplexen Zone, die mit dem Übergang von einer normalen Subduktionszone zu einer flachen Subduktionszone ("flat slab") zusammenfällt, die sich bis 33°S erstreckt. Diese Übergangszone fällt auch mit wichtigen morphostrukturellen Provinzen zusammen, die von Westen nach Osten i) der Cordillera Frontal, wo sich der Maricunga-Gürtel befindet, ii) dem Famatina-System und iv) den nordwestlichen Sierras Pampeanas entsprechen. Verschiedene strukturelle, sedimentologische, thermochronologische und geochronologische Studien in dieser Region haben eine komplexe Geschichte der Deformation und Hebung während aufeinanderfolgender känozoischer Deformationsereignisse dokumentiert. Diese Prozesse führten zu einer Zunahme der Krustendicke sowie Episoden diachroner Hebung, die im späten Miozän zur heutigen Form des Orogens führten. In der Folgezeit änderte sich der Deformationsstil des Plateaus von Kontraktion zu Extension und Transtension, was durch die allgegenwärtigen Abschiebungen, Erdbeben und magmatischen Gesteine dokumentiert wird. Am südlichen Rand des Puna-Plateaus und im Übergang zu den anderen morphostrukturellen Provinzen sind die Variation der Deformationsprozesse und die Veränderungen im tektonischen Spannungsfeld jedoch noch nicht vollständig verstanden. Diese Region des Orogens ist daher ideal, um zu untersuchen, wie sich das tektonische Spannungsfeld entwickelt hat und wie es durch das Vorhandensein bzw. das Fehlen eines orogenen Plateaus sowie durch strukturelle Anisotropien innerhalb der verschiedenen tektonischen Provinzen beeinflusst wurde.
 
In dieser Arbeit wird die Beziehung zwischen der bruchhaften Krustendeformation und der räumlich-zeitlichen Entwicklung des tektonischen Spannungsfeldes im südlichen Sektor des Puna-Plateaus während der Prä-, Syn- und Post-Hebungs-Perioden untersucht. Zur Durchführung dieser Untersuchungen wurden mehrere methodische Ansätze gewählt, darunter radiometrische Datierungen (U-Pb), die Analyse mesoskopischer Verwerfungen zur Ermittlung von Spannungstensoren und der Ausrichtung der Hauptspannungsachsen, die Bestimmung der Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität in sedimentären und vulkanoklastischen Gesteinen zur Identifizierung von Verkürzungsrichtungen oder Richtungen des Sedimenttransports, kinematische Modellierung zur Ableitung tiefer Krustenstrukturen und Deformation sowie schließlich eine morphometrische Analyse zur Identifizierung geomorphologischer Indikatoren im Zusammenhang mit der quartären Tektonik.
 
Durch die Kombination der erzielten Ergebnisse mit Daten aus bereits veröffentlichten Studien dokumentiert diese Untersuchung eine komplexe Geschichte des tektonischen Spannungsfeldes, die durch Veränderungen in der Ausrichtung und durch vertikale Permutationen der Hauptspannungsachsen während jedes Deformationsregimes in den letzten 24 Millionen Jahren gekennzeichnet war. Die Entwicklung des tektonischen Spannungsfeldes in dieser Region kann mit drei orogenen Phasen des Anden-Orogens in Verbindung gebracht werden: (1) eine erste Phase mit einer E-W-orientierten Kompression, die zwischen dem Eozän und dem mittleren Miozän dokumentiert ist und mit einer Verdickung der Kruste des Orogens, einem lateralen Wachstum sowie einer topografischen Hebung einherging; (2) eine zweite Phase, die durch ein kompressives, transpressives Spannungsregime gekennzeichnet ist, das bei ~11 Ma bzw. ~5 Ma am westlichen bzw. östlichen Rand der Puna-Hochebene manifestiert ist, sowie durch ein kompressives Spannungsregime im benachbarten Famatina-System und in den Sierras Pampeanas, das als Übergang zwischen der neogenen Krustenverdickung und der maximalen Akkumulation von Deformation und topographischer Hebung der Puna-Hochebene interpretiert wird; und (3) eine dritte Phase, in der das tektonische Regime zu einem Spannungszustand überging, der auf eine Krustenverdickung und die maximale Hebung des Plateaus zwischen ~5-4 Ma folgte; dieses Stadium ist besonders gut in der Puna, in ihrem westlichen Grenzgebiet zum Maricunga-Valle Ancho-Gürtel und entlang ihrer östlichen Grenze im Übergang zu den Sierras Pampeanas zu erkennen und zeigt weiträumige Krustenextension. Die Ergebnisse der Studie belegen somit, dass der Plateaurand einen Wechsel von einem Kompressions- zu einem Transtensionsregime erlebte, das sich von dem Spannungszustand des Andenplateaus in den nördlichen Sektoren für denselben Zeitraum unterscheidet. Ähnliche Spannungsänderungen wurden während des Aufbaus des tibetischen Plateaus dokumentiert, wo ein vorwiegend kompressiver Spannungszustand in einen transtensionalen Zustand überging, der jedoch zwischen 14 und 4 Ma von einem rein tensionalen Spannungszustand abgelöst wurde.
KW  - Central Andes
KW  - Puna plateau
KW  - late cenozoic stress field
KW  - Andes Centrales
KW  - Puna plateau
KW  - campo de esfuerzo del Cenozoico tardío
KW  - Zentralanden
KW  - Andenplateau Puna
KW  - Spannungsfeld des späten Känozoikums
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610387
ER  -