Gregor Lauer-Dünkelberg

• Mountain ranges can fundamentally influence the physical and and chemical processes that shape Earths’ surface. With elevations of up to several kilometers they create climatic enclaves by interacting with atmospheric circulation and hydrologic systems, thus leading to a specific distribution of flora and fauna. As a result, the interiors of many Cenozoic mountain ranges are characterized by an arid climate, internally drained and sediment-filled basins, as well as unique ecosystems that are isolated from the adjacent humid, low-elevation regions along their flanks and forelands. These high-altitude interiors of orogens are often characterized by low relief and coalesced sedimentary basins, commonly referred to as plateaus, tectono-geomorphic entities that result from the complex interactions between mantle-driven geological and tectonic conditions and superposed atmospheric and hydrological processes. The efficiency of these processes and the fate of orogenic plateaus is therefore closely tied to the balance of constructive andMountain ranges can fundamentally influence the physical and and chemical processes that shape Earths’ surface. With elevations of up to several kilometers they create climatic enclaves by interacting with atmospheric circulation and hydrologic systems, thus leading to a specific distribution of flora and fauna. As a result, the interiors of many Cenozoic mountain ranges are characterized by an arid climate, internally drained and sediment-filled basins, as well as unique ecosystems that are isolated from the adjacent humid, low-elevation regions along their flanks and forelands. These high-altitude interiors of orogens are often characterized by low relief and coalesced sedimentary basins, commonly referred to as plateaus, tectono-geomorphic entities that result from the complex interactions between mantle-driven geological and tectonic conditions and superposed atmospheric and hydrological processes. The efficiency of these processes and the fate of orogenic plateaus is therefore closely tied to the balance of constructive and destructive processes – tectonic uplift and erosion, respectively. In numerous geological studies it has been shown that mountain ranges are delicate systems that can be obliterated by an imbalance of these underlying forces. As such, Cenozoic mountain ranges might not persist on long geological timescales and will be destroyed by erosion or tectonic collapse. Advancing headward erosion of river systems that drain the flanks of the orogen may ultimately sever the internal drainage conditions and the maintenance of storage of sediments within the plateau, leading to destruction of plateau morphology and connectivity with the foreland. Orogenic collapse may be associated with the changeover from a compressional stress field with regional shortening and topographic growth, to a tensional stress field with regional extensional deformation and ensuing incision of the plateau. While the latter case is well-expressed by active extensional faults in the interior parts of the Tibetan Plateau and the Himalaya, for example, the former has been attributed to have breached the internally drained areas of the high-elevation sectors of the Iranian Plateau. In the case of the Andes of South America and their internally drained Altiplano-Puna Plateau, signs of both processes have been previously described. However, in the orogenic collapse scenario the nature of the extensional structures had been primarily investigated in the northern and southern terminations of the plateau; in some cases, the extensional faults were even regarded to be inactive. After a shallow earthquake in 2020 within the Eastern Cordillera of Argentina that was associated with extensional deformation, the state of active deformation and the character of the stress field in the central parts of the plateau received renewed interest to explain a series of extensional structures in the northernmost sectors of the plateau in north-western Argentina. This study addresses (1) the issue of tectonic orogenic collapse of the Andes and the destruction of plateau morphology by studying the fill and erosion history of the central eastern Andean Plateau using sedimentological and geochronological data and (2) the kinematics, timing and magnitude of extensional structures that form well-expressed fault scarps in sediments of the regional San Juan del Oro surface, which is an integral part of the Andean Plateau and adjacent morphotectonic provinces to the east. Importantly, sediment properties and depositional ages document that the San Juan del Oro Surface was not part of the internally-drained Andean Plateau, but rather associated with a foreland-directed drainage system, which was modified by the Andean orogeny and that became successively incorporated into the orogen by the eastward-migration of the Andean deformation front during late Miocene – Pliocene time. Structural and geomorphic observations within the plateau indicate that extensional processes must have been repeatedly active between the late Miocene and Holocene supporting the notion of plateau-wide extensional processes, potentially associated with Mw ~ 7 earthquakes. The close relationship between extensional joints and fault orientations underscores that 3 was oriented horizontally in NW-SE direction and 1 was vertical. This unambiguously documents that the observed deformation is related to gravitational forces that drive the orogenic collapse of the plateau. Applied geochronological analyses suggest that normal faulting in the northern Puna was active at about 3 Ma, based on paired cosmogenic nuclide dating of sediment fill units. Possibly due to regional normal faulting the drainage system within the plateau was modified, promoting fluvial incision.…
• Gebirge beeinflussen grundlegend die physikalischen und chemischen Prozesse, die die Oberfläche der Erde formen. Mit Höhen von bis zu mehreren Tausend Metern können sie als topografische Barrieren fungieren, die mit atmosphärischen Zirkulationen und hydrologischen Systemen wechselwirken, klimatische Enklaven schaffen und dadurch die Verbreitung von Flora und Fauna einschränken. Infolgedessen sind die inneren Teile vieler känozoischer Gebirge durch geschlossene Beckenstrukturen gekennzeichnet, die einzigartige, von den niedriger gelegenen Bereichen des Vorlands isolierte Ökosysteme beherbergen. Diese durch niedriges Relief geprägte orographische Sektoren werden als Plateaus bezeichnet - das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen geologischer, hydrologischer und atmosphärischer Prozesse. Das Fortbestehen solcher orogenen Plateaus ist daher an das Gleichgewicht zwischen den konstruktiven und destruktiven Prozessen, tektonischer Hebung und Erosion gebunden. Aus geologischen Studien geht hervor, dass Gebirgszüge fragile Systeme sind, dieGebirge beeinflussen grundlegend die physikalischen und chemischen Prozesse, die die Oberfläche der Erde formen. Mit Höhen von bis zu mehreren Tausend Metern können sie als topografische Barrieren fungieren, die mit atmosphärischen Zirkulationen und hydrologischen Systemen wechselwirken, klimatische Enklaven schaffen und dadurch die Verbreitung von Flora und Fauna einschränken. Infolgedessen sind die inneren Teile vieler känozoischer Gebirge durch geschlossene Beckenstrukturen gekennzeichnet, die einzigartige, von den niedriger gelegenen Bereichen des Vorlands isolierte Ökosysteme beherbergen. Diese durch niedriges Relief geprägte orographische Sektoren werden als Plateaus bezeichnet - das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen geologischer, hydrologischer und atmosphärischer Prozesse. Das Fortbestehen solcher orogenen Plateaus ist daher an das Gleichgewicht zwischen den konstruktiven und destruktiven Prozessen, tektonischer Hebung und Erosion gebunden. Aus geologischen Studien geht hervor, dass Gebirgszüge fragile Systeme sind, die durch ein Ungleichgewicht dieser zugrunde liegenden Kräfte kollabieren können. Daher erscheint es unumgänglich, dass moderne Gebirge auf geologischen Zeitskalen nicht überdauern werden und voraussichtlich dem Zahn der Zeit zum Opfer fallen. Viele Studien haben sich bereits mit der Aufgabe befasst, den momentanen Zustand känozoischer Gebirge zu erforschen, um zu entschlüsseln, ob sie bereits in eine Einebnungsphase übergegangen sind. Eine solche Einebnung kann auf zwei oberflächliche Anzeichen zurückgeführt werden: i) die fortschreitende Erosion durch Flusssysteme und ii) das Vorhandensein von Extensionsstrukturen, die sich entgegen des kompressiven Spannungsfelds durch Gravitationskräfte formen. Solche Strukturen wurden bereits im Inneren des tibetischen Plateaus des zentralasiatischen Himalaya beschrieben, während eine plateauweite Einschneidung durch Flusssysteme die intern entwässerten Gebiete der hoch gelegenen Sektoren des iranischen Plateaus beobachtet wurde. Im Falle der südamerikanischen Anden und ihres intern entwässerten Altiplano-Puna-Plateaus wurden bereits Anzeichen beider Prozesse beschrieben. Im Szenario des orogenen Kollapses wurden Dehnungsstrukturen jedoch hauptsächlich an den nördlichen und südlichen Grenzen des Plateaus untersucht; in einigen Fällen wurden diese tektonischen Verwerfungen als inaktiv kategorisiert. Nach einem flachen Erdbeben im Jahr 2020 in der Ostkordillere Argentiniens, das mit solch einer Dehnungsstruktur in Verbindung gebracht wurde, weckte die Frage nach dem Zustand des aktiven Spannungsfeldes und der damit einhergehenden Deformation in den zentralen Teilen der Anden wieder neues Interesse. Die Analyse solcher Strukturen und die daraus resultierenden Erkenntnisse, würden helfen die quartäre Deformation in den hoch gelegenen Gebieten der Anden zu erklären. Diese Dissertation befasst sich daher mit (1) der Frage des tektonisch-orogenen Zusammenbruchs der Anden und der Einschneidung in die Plateaumorphologie, indem die Auffüllungs- und Erosionsgeschichte des zentralen östlichen Andenplateaus anhand von sedimentologischen und geochronologischen Daten untersucht wird, und (2) mit der Kinematik, dem zeitlichen Ablauf und dem Ausmaß von Dehnungsdeformation, die ausgeprägte Geländestufen in den sölig gelagerten Sedimenten der regionalen San Juan del Oro-Oberfläche formte, die wiederum ein integraler Bestandteil des Andenplateaus und der angrenzenden morphotektonischen Provinzen im Osten ist. Die Eigenschaften der beschriebenen Sedimente sowie deren Ablagerungsalter belegen, dass die San Juan del Oro-Oberfläche nicht Teil des intern entwässerten Andenplateaus ist, sondern vielmehr mit einem vorgelagerten Entwässerungssystem verbunden ist, das durch die Anden-Orogenese und die Ostwärtsbewegung der Deformationsfront im späten Miozän bis Pliozän sukzessive in das Orogen integriert wurde. Strukturelle und geomorphologische Beobachtungen innerhalb des Plateaus deuten darauf hin, dass eine tektonische Abschiebungen zwischen dem späten Miozän und dem Holozän wiederholt aktiv gewesen sein müssen, und möglicherweise mit Erdbeben der Stärke Mw ~ 7 in Verbindung standen. Die geometrische Beziehung zwischen Dehnungsklüften und dem Streichen der beobachteten Verwerfungen deutet darauf hin, dass die geringste Normalspannung (σ3) horizontal in NW-SE-Richtung und die maximale Normalspannung (σ1) vertikal orientiert war. Dies ist ein eindeutiger Beleg dafür, dass die beobachtete Deformation mit Gravitationskräften zusammenhängt, die den orogenen Kollaps des Plateaus vorantreiben. Geochronologische Daten deuten darauf hin, dass die Abschiebungen in der nördlichen Puna vor ca. 3 Ma aktiv waren. Möglicherweise wurde dadurch auch das Entwässerungssystem innerhalb des Plateaus beeinflusst, was eine fluviale Einschneidung begünstigte und den Zerfall des Plateaus vorantreibt.…