TY  - THES
A1  - Rehak, Katrin
T1  - Pliocene-Pleistocene landscape evolution in south-central Chile : interactions between tectonic, geomorphic, and climatic processes
T1  - Pliozän-Pleistozäne Landschaftsentwicklung in Südzentralchile : Interaktionen zwischen tektonischen, geomorphologischen und klimatischen Prozessen
N2  - Landscapes evolve in a complex interplay between climate and tectonics. Thus, the geomorphic characteristics of a landscape can only be understood if both, climatic and tectonic signals of past and ongoing processes can be identified. In order to evaluate the impact of both forcing factors it is crucial to quantify the evolution of geomorphic markers in natural environments. The Cenozoic Andes are an ideal setting to evaluate tectonic and climatic aspects of landscape evolution at different time and length scales in different natural compartments. The Andean Cordillera constitutes the type subduction orogen and is associated with the subduction of the oceanic Nazca Plate beneath the South American continent since at least 200 million years. In Chile and the adjacent regions this convergent margin is characterized by active tectonics, volcanism, and mountain building. Importantly, along the coast of Chile megathrust earthquakes occur frequently and influence landscape evolution. In fact, the largest earthquake ever recorded occurred in south-central Chile in 1960 and comprised a rupture zone of ~ 1000 km length. However, on longer time scales beyond historic documentation of seismicity it is not well known, how such seismotectonic segments have behaved and how they influence the geomorphic evolution of the coastal realms. With several semi-independent morphotectonic segments, recurrent megathrust earthquakes, and a plethora of geomorphic features indicating sustained tectonism, the margin of Chile is thus a key area to study relationships between surface processes and tectonics. In this study, I combined geomorphology, geochronology, sedimentology, and morphometry to quantify the Pliocene-Pleistocene landscape evolution of the tectonically active south-central Chile forearc. Thereby, I provide (1) new results about the influence of seismotectonic forearc segmentation on the geomorphic evolution and (2) new insights in the interaction between climate and tectonics with respect to the morphology of the Chilean forearc region. In particular, I show that the forearc is characterized by three long-term segments that are not correlated with short-lived earthquake-rupture zones that may. These segments are the Nahuelbuta, Toltén, and Bueno segments, each recording a distinct geomorphic and tectonic evolution. The Nahuelbuta and Bueno segments are undergoing active tectonic uplift. The long-term behavior of these two segments is manifested in form of two doubly plunging, growing antiforms that constitute an integral part of the Coastal Cordillera and record the uplift of marine and river terraces. In addition, these uplifting areas have caused major changes in flow directions or rivers. In contrast, the Toltén segment, situated between the two other segments, appears to be quasi-stable. In order to further quantify uplift and incision in the actively deforming Nahuelbuta segment, I dated an erosion surface and fluvial terraces in the Coastal Cordillera with cosmogenic 10Be and 26Al and optically stimulated luminescence, respectively. According to my results, late Pleistocene uplift rates corresponding to 0.88 mm a-1 are faster than surface-uplift rates averaging over the last 5 Ma, which are in the range of 0.21 mm a-1. This discrepancy suggests that surface uplift is highly variable in time and space and might preferably concentrate along reverse faults as indicated by a late Pleistocene flow reversal. In addition, the results of exposure dating with cosmogenic 10Be and 26Al indicate that the morphotectonic segmentation of this region of the forearc has been established in Pliocene time, coeval with the initiation of uplift of the Coastal Cordillera about 5 Ma ago, inferred to be related to a shift in subduction mode from erosion to accretion. Finally, I dated volcanic clasts obtained from alluvial surfaces in the Central Depression, a low-relief sector separating the Coastal from the Main Cordillera, with stable cosmogenic 3He and 21Ne, in order to reveal the controls of sediment accumulation in the forearc. My results document that these gently sloping surfaces have been deposited 150 to 300 ka ago. This deposition may be related to changes in the erosional regime during glacial episodes. Taken together, the data indicates that the overall geomorphic expression of the forearc is of post-Miocene age and may be intimately related to a climatic overprint of the tectonic system. This climatic forcing is also reflected in the topography and local relief of the Central and Southern Andes that vary considerably along the margin, determined by the dominant surface process that in turn is eventually controlled by climate. However, relief also partly reflects surface processes that have taken place under past climatic conditions. This emphasizes that due care has to be exercised when interpreting landscapes as mirrors of modern climates.
N2  - Landschaften entwickeln sich im komplexen Zusammenspiel von Klima und Tektonik. Demzufolge können sie nur verstanden werden, wenn sowohl klimatische als auch tektonische Signale vergangener und rezenter Prozesse identifiziert werden. Um den Einfluss beider Faktoren zu bewerten, ist es deshalb wichtig, die Evolution geomorphologischer Marker in der Natur zu quantifizieren. Die känozoischen Anden sind eine ideale Region, um tektonische und klimatische Aspekte der Landschaftsentwicklung auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen zu erforschen. Sie sind das Modell-Subduktionsorogen, assoziiert mit der Subduktion der ozeanischen Nazca-Platte unter den südamerikanischen Kontinent seit ca. 200 Mio Jahren. In Chile ist dieser konvergente Plattenrand geprägt von aktiver Tektonik, Vulkanismus und Gebirgsbildung. Bedeutenderweise ereignen sich entlang der Küste häufig Megaerdbeben, die die Landschaftsentwicklung stark beeinflussen. Tatsächlich ereignete sich das größte jemals aufgezeichnete Erdbeben mit einer Bruchzone von ca. 1000 km Länge 1960 im südlichen Zentralchile. Nichtsdestotrotz ist auf längeren Zeitskalen über historische Dokumentationen hinaus nicht bekannt, wie sich solche seismotektonischen Segmente verhalten und wie sie die geomorphologische Entwicklung der Küstengebiete beeinflussen. Mit semi-unabhängigen morphotektonischen Segmenten, wiederkehrenden Megaerdbeben und einer Fülle geomorphologischer Marker, die aktive Tektonik anzeigen, ist somit der Plattenrand von Chile ein Schlüsselgebiet für das Studium von Zusammenhängen zwischen Oberflächenprozessen und Tektonik. In dieser Arbeit kombiniere ich Geomorphologie, Geochronologie, Sedimentologie und Morphometrie, um die plio-pleistozäne Landschaftsentwicklung des tektonisch aktiven süd-zentralchilenischen Forearcs zu quantifizieren. Mit dieser Analyse liefere ich (1) neue Ergebnisse über den Einfluss seismotektonischer Forearc-Segmentierung auf die geomorphologischen Entwicklung und (2) neue Erkenntnisse über die Interaktion zwischen Klima und Tektonik bezüglich der Gestaltung des chilenischen Forearcs. Ich zeige, dass der Forearc in drei langlebige morphotektonische Segmente gegliedert ist, die nicht mit kurzlebigen Erdbebenbruchzonen korrelieren. Die Segmente heißen Nahuelbuta, Toltén und Bueno Segment, wovon jedes eine andere geomorphologische und tektonische Entwicklung durchläuft. Die Nahuelbuta und Bueno Segmente unterliegen aktiver tektonischer Hebung. Das langfristige Verhalten dieser beiden Segmente manifestiert sich in zwei beidseitig abtauchenden, wachsenden Antiklinalen, die integraler Bestandteil des Küstengebirges sind und die Hebung von marinen und fluvialen Terrassen aufzeichnen. Die Hebung verursachte weitreichende Veränderungen in den Fließrichtungen des Gewässernetzes. Im Gegensatz dazu ist das Toltén Segment, das sich zwischen den beiden anderen Segmenten befindet, quasi-stabil. Um die Hebung und Einschneidung in dem tektonisch aktiven Nahuelbuta Segment zu quantifizieren, habe ich eine Erosionsfläche und fluviale Terrassen in dem Küstengebirge mit kosmogenem 10Be und 26Al bzw. optisch stimulierter Lumineszenz datiert. Meinen Ergebnissen zufolge sind die spätpleistozänen Hebungsraten, die ca. 0,88 mm a-1 betragen, höher als die Oberflächenhebungsraten, die über die letzten 5 Mio Jahre mitteln und ca. 0,21 mm a-1 betragen. Diese Diskrepanz deutet an, dass die Hebung der Oberfläche räumlich und zeitlich sehr stark variiert und sich präferiert an Aufschiebungen konzentriert. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse der Expositionsdatierung mit kosmogenem 10Be und 26Al, dass die morphotektonische Segmentierung im Pliozän etabliert wurde, zeitgleich mit dem Beginn der Hebung des Küstengebirges vor ca. 5 Mio Jahren infolge eines Wechsels des Subduktionsmodus von Erosion zu Akkretion. Schließlich habe ich vulkanische Klasten, die aus alluvialen Flächen im Längstal stammen, mit den stabilen kosmogenen Nukliden 3He und 21Ne datiert, um Aufschluss über die Faktoren zu erhalten, die die Sedimentablagerung im Forearc bestimmen. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass diese flach einfallenden Oberflächen, die vor 150.000 bis 300.000 Jahren abgelagert wurden, in Zusammenhang mit Änderungen des Erosionsregimes in glazialen Episoden entstanden sind. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass der heutige geomorphologische Ausdruck des Forearcs post-Miozän und eng mit einer klimatischen Überprägung des tektonischen Systems verknüpft ist. Der klimatische Einfluss spiegelt sich ebenfalls in der Topographie und dem lokalen Relief der Zentral- und Südanden wider. Beide Parameter variieren stark entlang des Plattenrandes, bestimmt durch den jeweils dominierenden Oberflächenprozess, der wiederum letztendlich vom vorherrschenden Klima abhängt. Allerdings reflektiert das Relief teilweise Oberflächenprozesse, die unter vergangenen Klimaten aktiv waren. Das betont die äußerst große Vorsicht, die nötig ist, wenn Landschaften als Spiegel des aktuellen Klimas interpretiert werden.
KW  - Morphometrie
KW  - Tektonik
KW  - Subduktion
KW  - kosmogene Nuklide
KW  - Chile
KW  - Morphometry
KW  - Tectonics
KW  - Subduction
KW  - Cosmogenic Nuclides
KW  - Chile
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-19793
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stefer, Susanne
T1  - Late Pleistocene-Holocene sedimentary processes at the active margin of South-Central Chile : marine and lacustrine sediment records as archives of tectonics and climate variability
T1  - Spätpleistozän-Holozäne Sedimentationsprozesse am aktiven Kontinentalrand südzentral Chiles : Marine und lakustrine Sedimentabfolgen als Anzeiger von tektonischer Aktivität und Klimaänderungen
N2  - Active continental margins are affected by complex feedbacks between tectonic, climate and surface processes, the intricate relations of which are still a matter of discussion. The Chilean convergent margin, forming the outstanding Andean subduction orogen, constitutes an ideal natural laboratory for the investigation of climate, tectonics and their interactions. In order to study both processes, I examined marine and lacustrine sediments from different depositional environments on- and offshore the south-central Chilean coast (38-40°S). I combined sedimentological, geochemical and isotopical analyses to identify climatic and tectonic signals within the sedimentary records. The investigation of marine trench sediments (ODP Site 1232, SONNE core 50SL) focused on frequency changes of turbiditic event layers since the late Pleistocene. In the active margin setting of south-central Chile, these layers were considered to reflect periodically occurring earthquakes and to constitute an archive of the regional paleoseismicity. The new results indicate glacial-interglacial changes in turbidite frequencies during the last 140 kyr, with short recurrence times (~200 years) during glacial and long recurrence times (~1000 years) during interglacial periods. Hence, the generation of turbidites appears to be strongly influenced by climate and sea level changes, which control on the amount of sediment delivered to the shelf edge and therewith the stability of the continental slope: more stable slope conditions during interglacial periods entail lower turbidite frequencies than in glacial periods. Since glacial turbidite recurrence times are congruent with earthquake recurrence times derived from the historical record and other paleoseismic archives of the region, I concluded that only during cold stages the sediment availability and slope instability enabled the complete series of large earthquakes to be recorded. The sediment transport to the shelf region is not only driven by climate conditions but also influenced by local forearc tectonics. Accelerating uplift rates along major tectonic structures involved drainage anomalies and river flow inversions, which seriously altered the sediment supply to the Pacific Ocean. Two examples for the tectonic hindrance of fluvial systems are the coastal lakes Lago Lanalhue and Lago Lleu Lleu. Both lakes developed within former river valleys, which once discharged towards the Pacific and were dammed by tectonically uplifted sills at ~8000 yr BP. Analyses of sediment cores from the lakes showed similar successions of marine/brackish deposits at the bottom, covered by lacustrine sediments on top. Dating of the transitions between these different units and the comparison with global sea level curves allowed me to calculate local Holocene uplift rates, which are distinctly higher for the upraised sills (Lanalhue: 8.83 ± 2.7 mm/yr, Lleu Lleu: 11.36 ± 1.77 mm/yr) than for the lake basins (Lanalhue: 0.42 ± 0.71 mm/yr, Lleu Lleu: 0.49 ± 0.44 mm/yr). I hence considered the sills to be the surface expression of a blind thrust associated with a prominent inverse fault that is controlling regional uplift and folding. After the final separation of Lago Lanalhue and Lago Lleu Lleu from the Pacific, a constant deposition of lacustrine sediments preserved continuous records of local environmental changes. Sequences from both lakes indicate a long-term climate trend with a significant shift from more arid conditions during the Mid-Holocene (8000 – 4200 cal yr BP) to more humid conditions during the Late Holocene (4200 cal yr BP – present). This trend is consistent with other regional paleoclimatic data and interpreted to reflect changes in the strength/position of the Southern Westerly Winds. Since ~5000 years, sediments of Lago Lleu Lleu are marked by numerous intercalated detrital layers that recur with a mean frequency of ~210 years. Deposition of these layers may be triggered by local tectonics (i.e. earthquakes), but may also originate from changes in the local climate (e.g. onset of modern ENSO conditions). During the last 2000 years, pronounced variations in the terrigenous sediment supply to both lakes suggest important hydrological changes on the centennial time-scale as well. A lower input of terrigenous matter points to less humid phases between 200 cal yr B.C. - 150 cal yr A.D., 900 - 1350 cal yr A.D. and 1850 cal yr A.D. to present (broadly corresponding to the Roman, Medieval, and Modern Warm Periods). More humid periods persisted from 150 - 900 cal yr A.D. and 1350 - 1850 cal yr A.D. (broadly corresponding to the Dark Ages and the Little Ice Age). In conclusion, the combined investigation of marine and lacustrine sediments is a feasible method for the reconstruction of climatic and tectonic processes on different time scales. My approach allows exploring both climate and tectonics in one and the same archive, and is largely transferable to other active margins worldwide.
N2  - An aktiven Kontinentalrändern wirken komplexe Rückkopplungen zwischen Tektonik, Klima- und Oberflächenprozessen, deren Zusammenhänge bisher nur in Grundzügen verstanden und Gegenstand aktueller Forschung sind. Der chilenische Kontinentalrand – mit den Anden als größtem Subduktionsorogen der Erde – bietet ein natürliches Labor zur Erforschung von Klima und Tektonik sowie deren Wechselbeziehungen. Um beide Prozesse genauer zu verifizieren, habe ich marine und lakustrine Sedimente entlang der südlichen Küste Zentralchiles (38-40°S) untersucht und die enthaltenen klimatischen und tektonischen Signale mit einer Kombination aus sedimentologischen, geochemischen und Isotopen-Analysen identifiziert. Die Untersuchung der marinen Trenchsedimente (ODP-Bohrung 1232, SONNE-Kern 50SL) konzentriert sich dabei auf Änderungen in der Ablagerungsfrequenz von turbiditischen Lagen, welche in der tektonisch aktiven Region süd-zentral Chiles als Anzeiger periodisch auftretender Erdbeben und somit als Archiv lokaler Seismizität gewertet werden. Für die letzten 140 000 Jahre zeigen die Daten deutliche Schwankungen der Turbiditfrequenzen: Während in Glazialzeiten in etwa ein Ereignis alle 200 Jahre zu verzeichnen ist, treten Turbidite in den Interglazialzeiten nur etwa alle 1000 Jahre auf. Die Häufigkeit der Turbidite scheint demnach nicht nur von der lokalen Seismizität, sondern auch von globalen Klima- und Meeresspiegelschwankungen abhängig zu sein. Beide bestimmen die Sedimentmenge, die den Kontinentalschelf und die Schelfkante erreicht, und damit letztendlich die Stabilität des Kontinentalhanges; so führen stabilere Hangverhältnisse in den Interglazialen zu geringeren Turbiditfrequenzen als in den Glazialen. Da die glazialen Turbidithäufigkeiten gut mit der Häufigkeit von historisch dokumentierten Erdebeben übereinstimmen, scheint in Abhängigkeit der größeren Sedimentmenge und der geringeren Hangstabilität nur in den Kaltzeiten die Gesamtzahl aller großen Erbeben durch Turbidite aufgezeichnet zu werden. Neben dem Klima bestimmt auch die lokale Forearc-Tektonik den Sedimenttransport zur Schelfregion. Erhöhte Hebung entlang tektonischer Strukturen kann zu Veränderungen im Gewässernetz führen und so die Sedimentzufuhr zum Pazifik modifizieren oder gar unterbinden. Zwei Beispiele für die tektonische Blockade von Flusssystemen entlang von Störungszonen sind die heutigen Küstenseen Lago Lanalhue und Lago Lleu Lleu. Beide Seen entwickelten sich aus ehemaligen Flusssystemen, die einst zum Pazifik hin entwässerten und vor etwa 8000 Jahren durch lokale tektonische Hebung entlang einer inversen Verwerfung aufgestaut wurden. Sedimentkernanalysen zeigen für beide Seen eine ähnliche Abfolge von zunächst marinem und darüber liegendem lakustrinen Material. Die genaue Datierung des marin-lakustrinen Übergangs und der Vergleich mit globalen Meeresspiegelkurven erlaubt die Berechnung lokaler holozäner Hebungsraten. Für die Schwellen, die beide Seen eindämmen, sind diese Raten deutlich höher (Lanalhue: 8.83 ± 2.7 mm/Jahr; Lleu Lleu: 11.36 ± 1.77 mm/Jahr) als für die Seebecken selbst (Lanalhue: 0.42 ± 0.71 mm/Jahr; Lleu Lleu: 0.49 ± 0.44 mm/Jahr). Die Schwellen scheinen deshalb Anzeiger einer bislang verdeckten Überschiebung zu sein, die Hebung und Verformung in der Region der beiden Seen beeinflusst. Seit ihrem Aufstauen werden in beiden Seen kontinuierlich lakustrine Sedimente abgelagert und so lokale/regionale Umwelt- und Klimaänderungen archiviert. Die Sedimentsequenzen zeigen einen Übergang von ariderem Klima im mittleren Holozän (8000 - 4200 Jahre vor heute) zu humideren Bedingungen im späten Holozän (seit 4200 Jahren). Dieser Trend stimmt mit anderen paläoklimatischen Daten der Umgebung überein, und wird als Zeichen einer Änderung in der Stärke bzw. Breitenlage der südhemisphärischen Westwinde interpretiert. Seit etwa 5000 Jahren sind die Sedimente des Lago Lleu Lleu durch regelmäßig auftretende detritische Lagen gekennzeichnet, die in ihrer Ursache sowohl tektonisch (z.B. durch Erdbeben) als auch klimatisch (z.B. durch Änderungen der El Niño Southern Oscillation) bedingt sein könnten. Seit etwa 2000 Jahren weisen in beiden Seen vermehrte Schwankungen im Terrigeneintrag auch auf kurzfristigere hydrologische Änderungen hin. Ein verminderter Eintrag lässt auf weniger humides Klima zwischen 200 B.C. - 150 A.D., 900 - 1350 A.D., und nach 1850 A.D. (in etwa der römischen, mittelalterlichen und gegenwärtigen Warmzeit) schließen; vermehrter Eintrag zwischen 150 - 900 A.D sowie 1350 - 1850 A.D. (in etwa den ‚Dark-Ages’ und der Kleinen Eiszeit) weist dagegen ein stärker humides Klima hin. Wie die Ergebnisse zeigen, ist die kombinierte Analyse von marinen und lakustrinen Sedimenten ein praktikabler Ansatz, um klimatische und tektonische Prozesse auf verschiedenen Zeitskalen in ein und demselben Archiv zu untersuchen. Die Methode lässt sich weitgehend auch auf andere aktive Kontinentalränder übertragen.
KW  - Chile
KW  - Turbidite
KW  - Tektonik
KW  - Paläoklima
KW  - Hebungsraten
KW  - Chile
KW  - Turbidites
KW  - Tectonics
KW  - Paleoclimate
KW  - Uplift Rates
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-33731
ER  -