Paleozoic to Pliocene evolution of the Andean retroarc between 26 and 28°S: interactions between tectonics, climate, and upper plate architecture

Paläozoische bis pliozäne Entwicklung des andinen Randbeckens zwischen 26 und 28° Süd: Interaktion von Tektonik, Klima und Architektur der kontinentalen Kruste

  • Interactions and feedbacks between tectonics, climate, and upper plate architecture control basin geometry, relief, and depositional systems. The Andes is part of a longlived continental margin characterized by multiple tectonic cycles which have strongly modified the Andean upper plate architecture. In the Andean retroarc, spatiotemporal variations in the structure of the upper plate and tectonic regimes have resulted in marked along-strike variations in basin geometry, stratigraphy, deformational style, and mountain belt morphology. These along-strike variations include high-elevation plateaus (Altiplano and Puna) associated with a thin-skin fold-and-thrust-belt and thick-skin deformation in broken foreland basins such as the Santa Barbara system and the Sierras Pampeanas. At the confluence of the Puna Plateau, the Santa Barbara system and the Sierras Pampeanas, major along-strike changes in upper plate architecture, mountain belt morphology, basement exhumation, and deformation style can be recognized. I have used a source to sinkInteractions and feedbacks between tectonics, climate, and upper plate architecture control basin geometry, relief, and depositional systems. The Andes is part of a longlived continental margin characterized by multiple tectonic cycles which have strongly modified the Andean upper plate architecture. In the Andean retroarc, spatiotemporal variations in the structure of the upper plate and tectonic regimes have resulted in marked along-strike variations in basin geometry, stratigraphy, deformational style, and mountain belt morphology. These along-strike variations include high-elevation plateaus (Altiplano and Puna) associated with a thin-skin fold-and-thrust-belt and thick-skin deformation in broken foreland basins such as the Santa Barbara system and the Sierras Pampeanas. At the confluence of the Puna Plateau, the Santa Barbara system and the Sierras Pampeanas, major along-strike changes in upper plate architecture, mountain belt morphology, basement exhumation, and deformation style can be recognized. I have used a source to sink approach to unravel the spatiotemporal tectonic evolution of the Andean retroarc between 26 and 28°S. I obtained a large low-temperature thermochronology data set from basement units which includes apatite fission track, apatite U-Th-Sm/He, and zircon U-Th/He (ZHe) cooling ages. Stratigraphic descriptions of Miocene units were temporally constrained by U-Pb LA-ICP-MS zircon ages from interbedded pyroclastic material. Modeled ZHe ages suggest that the basement of the study area was exhumed during the Famatinian orogeny (550-450 Ma), followed by a period of relative tectonic quiescence during the Paleozoic and the Triassic. The basement experienced horst exhumation during the Cretaceous development of the Salta rift. After initial exhumation, deposition of thick Cretaceous syn-rift strata caused reheating of several basement blocks within the Santa Barbara system. During the Eocene-Oligocene, the Andean compressional setting was responsible for the exhumation of several disconnected basement blocks. These exhumed blocks were separated by areas of low relief, in which humid climate and low erosion rates facilitated the development of etchplains on the crystalline basement. The exhumed basement blocks formed an Eocene to Oligocene broken foreland basin in the back-bulge depozone of the Andean foreland. During the Early Miocene, foreland basin strata filled up the preexisting Paleogene topography. The basement blocks in lower relief positions were reheated; associated geothermal gradients were higher than 25°C/km. Miocene volcanism was responsible for lateral variations on the amount of reheating along the Campo-Arenal basin. Around 12 Ma, a new deformational phase modified the drainage network and fragmented the lacustrine system. As deformation and rock uplift continued, the easily eroded sedimentary cover was efficiently removed and reworked by an ephemeral fluvial system, preventing the development of significant relief. After ~6 Ma, the low erodibility of the basement blocks which began to be exposed caused relief increase, leading to the development of stable fluvial systems. Progressive relief development modified atmospheric circulation, creating a rainfall gradient. After 3 Ma, orographic rainfall and high relief lead to the development of proximal fluvial-gravitational depositional systems in the surrounding basins.show moreshow less
  • Die Wechselwirkungen zwischen Tektonik, Klima und dem Aufbau der Oberkruste beeinflussen Relief, Beckengeometrien und sedimentäre Systeme. Die geologische Geschichte der Anden ist durch wiederkehrende tektonische Zyklen gekennzeichnet, die nachhaltig den Aufbau der umliegenden Oberkruste geprägt haben. Im Vorlandbecken der Anden (Retro-Arc Typus) führten räumlich und zeitlich variierende strukturgeologische Prozesse in der Oberkruste zu diversen Beckengeometrien, Deformationsvorgängen, sowie stratigraphische und geomorphologische Markern entlang des Streichens des Hochgebirgszuges. Die räumliche Variation beinhaltet unter anderem Hochgebirgsplateaus wie dem Altiplano oder der Puna, die jeweils mit dem thin-skin Aufschiebungsgürtel oder der thick-skin Deformation des zerbrochenen Vorlands im Santa-Barbara-System, bzw. der Sierras Pampeanas assoziiert werden. Besonders am Tripelpunkt zwischen der Puna Plateau, dem Santa-Barbara-System und der Sierras Pampeanas werden deutliche Veränderungen in der Oberkrustenarchitektur, derDie Wechselwirkungen zwischen Tektonik, Klima und dem Aufbau der Oberkruste beeinflussen Relief, Beckengeometrien und sedimentäre Systeme. Die geologische Geschichte der Anden ist durch wiederkehrende tektonische Zyklen gekennzeichnet, die nachhaltig den Aufbau der umliegenden Oberkruste geprägt haben. Im Vorlandbecken der Anden (Retro-Arc Typus) führten räumlich und zeitlich variierende strukturgeologische Prozesse in der Oberkruste zu diversen Beckengeometrien, Deformationsvorgängen, sowie stratigraphische und geomorphologische Markern entlang des Streichens des Hochgebirgszuges. Die räumliche Variation beinhaltet unter anderem Hochgebirgsplateaus wie dem Altiplano oder der Puna, die jeweils mit dem thin-skin Aufschiebungsgürtel oder der thick-skin Deformation des zerbrochenen Vorlands im Santa-Barbara-System, bzw. der Sierras Pampeanas assoziiert werden. Besonders am Tripelpunkt zwischen der Puna Plateau, dem Santa-Barbara-System und der Sierras Pampeanas werden deutliche Veränderungen in der Oberkrustenarchitektur, der Oberflächenbeschaffenheit, der dominierenden Deformationsprozesse und der Heraushebung des Grundgebirges ersichtlich. Ich habe einen Quelle-zu-Senke Ansatz genutzt, um die räumliche und zeitliche tektonische Entwicklung der zentralen Ostanden zwischen 26° und 28°S aufzudecken. Dabei habe ich einen umfangreichen Niedertemperaturdatensatz aus Gesteinen des Grundgebirges gewonnen, welche folgende Methoden mit einschließen: Apatit Spaltspur Methode (apatite fission Track, AFT), Apatit U-Th-Sm/He (AHe), und Zirkon U-Th/He (Zhe) Abkühlalter. Für die stratigraphische Besprechung und die exakte Altersbestimmung der Einheiten des Miozäns wurden U-Pb ICP-MS-LA Zirkonalter aus pyroklastisch zwischengelagerten Materialien genutzt. Die modellierten ZHe Altersdatierungen legen den Schluss nahe, dass das Grundgebirge im Untersuchungsgebiet während der Famatinischen Orogenese (vor 550-450 Ma) herausgehoben wurde, woraufhin im Paläozoikum und dem Trias eine Phase von tektonischer Ruhe folgte. Während der Kreide und dem einsetzenden Salta Rift wurde das Grundgebirge in Form von Horststrukturen freigelegt. Nach der ersten Freilegung wurden einige Grundgebirgsblöcke wieder erwärmt durch die rift-parallele Grabenverfüllung im Santa-Barbara-System. Während dem Eozän und dem Oligozän ist der Übergang in ein kompressives Stressregime verantwortlich für die Heraushebung mehrerer losgelöster Grundgebirgszüge. Diese freigelegten Blöcke entstanden zeitgleich wie Gebiete mit flachem Relief, wo feuchtes Klima und geringe Erosionsraten die Herausbildung von „etchplains“ im kristallinem Grundgebirge ermöglichen. Weiterhin durchbrechen diese Gebirgsblöcke das Vorlandbecken, welches sich im Depozentrum des back-bulges der Anden herausgebildet hat. Während des frühen Miozäns füllten Vorlandbeckensedimente die vorher vorhandene paläogene Topographie. Die Grundgebirgsblöcke mit niedrigem Relief wurden wieder erwärmt und wiesen einen Temperaturgradienten von mehr als 25°C/km auf. Der Vulkanismus im Miozän war verantwortlich für laterale Variationen der Intensität der erneuten Erwärmung innerhalb des Campo-Arenal Beckens. Vor etwa 12 Ma modifizierte eine neue Deformationsphase das Abflussnetz und zerstückelte das lakustrische System. Während die Deformation und die Gebirgsbildung anhielt, wurden überlagernde Sedimentschichten einfach erodiert, effizient beseitigt und durch fluviale Prozesse umgelagert, die die weitere Herausbildung von Relief verhinderten. Nach ~6 Ma ermöglichte die geringe Erodierbarkeit des Grundgebirges deren Reliefzunahme, wodurch sich stabile fluviale Systeme herausbildeten. Möglicherweise unterbrach die fortschreitende Reliefzunahme atmosphärische Zirkulationsprozesse, sodass sich laterale Niederschlagsgradienten ausbildeten. Nach 3 Ma führten orographische Niederschlagsbarrieren zu der Entwicklung von nahe liegenden fluvial-gravitationalen Ablagerungssystemen in den umliegenden Becken.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sebastian Zapata HenaoORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439036
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-43903
Subtitle (English):interactions between tectonics, climate, and upper plate architecture
Referee:Edward SobelORCiDGND, Gregory D. HokeORCiD, Cornelia SpiegelORCiDGND
Advisor:Edward Sobel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/10/19
Release Date:2019/11/28
Tag:Anden; Klima; Tektonik; ererbte Strukturen
Andes; climate; inherited structures; tectonics
Pagenumber:139
RVK - Regensburg Classification:TG 3900, TK 1010, TP 8800
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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