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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

Spätpleistozän-Holozäne Sedimentationsprozesse am aktiven Kontinentalrand südzentral Chiles : Marine und lakustrine Sedimentabfolgen als Anzeiger von tektonischer Aktivität und Klimaänderungen

  • 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 resultsActive 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.show moreshow less
  • 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 dieAn 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Susanne Stefer
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-33731
Advisor:Gerald H. Haug
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2009/07/03
Release Date:2009/08/14
Tag:Chile; Hebungsraten; Paläoklima; Tektonik; Turbidite
Chile; Paleoclimate; Tectonics; Turbidites; Uplift Rates
RVK - Regensburg Classification:TG 9400
RVK - Regensburg Classification:TP 8875
RVK - Regensburg Classification:TP 08875
RVK - Regensburg Classification:TF 04999
RVK - Regensburg Classification:TG 8000
RVK - Regensburg Classification:TG 04500
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht
Notes extern:
Kapitel 2 ist veröffentlicht als Blumberg et al. (2008) in EPSL 268 (2008) 3-4, pp. 526–539, doi:10.1016/j.epsl.2008.02.007.
Kapitel 3 ist veröffentlicht als Stefer et al. (2009) in Tectonophysics (2009), doi:10.1016/j.tecto.2009.05.006.