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Mafic magmatism in the Eastern Cordillera and Putumayo Basin, Colombia : causes and consequences

Mafischer Magmatismus in der östlichen Kordilliere und des Putumayo Beckens, Kolumbien : Gründe und Folgen

  • The Eastern Cordillera of Colombia is mainly composed of sedimentary rocks deposited since early Mesozoic times. Magmatic rocks are scarce. They are represented only by a few locally restricted occurrences of dykes and sills of mafic composition presumably emplaced in the Cretaceous and of volcanic rocks of Neogene age. This work is focused on the study of the Cretaceous magmatism with the intention to understand the processes causing the genesis of these rocks and their significance in the regional tectonic setting of the Northern Andes. The magmatic rocks cut the Cretaceous sedimentary succession of black shales and marlstones that crop out in both flanks of the Eastern Cordillera. The studied rocks were classified as gabbros (Cáceres, Pacho, Rodrigoque), tonalites (Cáceres, La Corona), diorites and syenodiorites (La Corona), pyroxene-hornblende gabbros (Pacho), and pyroxene-hornblendites (Pajarito). The gabbroic samples are mainly composed of plagioclase, clinopyroxene, and/or green to brown hornblende, whereas the tonalitic rocksThe Eastern Cordillera of Colombia is mainly composed of sedimentary rocks deposited since early Mesozoic times. Magmatic rocks are scarce. They are represented only by a few locally restricted occurrences of dykes and sills of mafic composition presumably emplaced in the Cretaceous and of volcanic rocks of Neogene age. This work is focused on the study of the Cretaceous magmatism with the intention to understand the processes causing the genesis of these rocks and their significance in the regional tectonic setting of the Northern Andes. The magmatic rocks cut the Cretaceous sedimentary succession of black shales and marlstones that crop out in both flanks of the Eastern Cordillera. The studied rocks were classified as gabbros (Cáceres, Pacho, Rodrigoque), tonalites (Cáceres, La Corona), diorites and syenodiorites (La Corona), pyroxene-hornblende gabbros (Pacho), and pyroxene-hornblendites (Pajarito). The gabbroic samples are mainly composed of plagioclase, clinopyroxene, and/or green to brown hornblende, whereas the tonalitic rocks are mainly composed of plagioclase and quartz. The samples are highly variable in crystal sizes from fine- to coarse-grained. Accessory minerals such as biotite, titanite and zircon are present. Some samples are characterized by moderate to strong alteration, and show the presence of epidote, actinolite and chlorite. Major and trace element compositions of the rocks as well as the rock-forming minerals show significant differences in the geochemical and petrological characteristics for the different localities, suggesting that this magmatism does not result from a single melting process. The wide compositional spectrum of trace elements in the intrusions is characteristic for different degrees of mantle melting and enrichment of incompatible elements. MORB- and OIB-like compositions suggest at least two different sources of magma with tholeiitic and alkaline affinity, respectively. Evidence of slab-derived fluids can be recognized in the western part of the basin reflected in higher Ba/Nb and Sr/P ratios and also in the Sr radiogenic isotope ratios, which is possible a consequence of metasomatism in the mantle due to processes related to the presence of a previously subducted slab. The trace element patterns evidence an extensional setting in the Cretaceous basin producing a continental rift, with continental crust being stretched until oceanic crust was generated in the last stages of this extension. Electron microprobe analyses (EMPA) of the major elements and synchrotron radiation micro-X-ray fluorescence (μ-SRXRF) analyses of the trace element composition of the early crystallized minerals of the intrusions (clinopyroxenes and amphiboles) reflect the same dual character that has been found in the bulk-rock analyses. Despite the observed alteration of the rocks, the mineral composition shows evidences for an enriched and a relative depleted magma source. Even the normalization of the trace element concentrations of clinopyroxenes and amphiboles to the whole rock nearly follows the pattern predicted by published partition coefficients, suggesting that the alteration did not change the original trace element compositions of the investigated minerals. Sr-Nd-Pb isotope data reveal a large isotopic variation but still suggest an initial origin of the magmas in the mantle. Samples have moderate to highly radiogenic compositions of 143Nd/144Nd and high 87Sr/86Sr ratios and follow a trend towards enriched mantle compositions, like the local South American Paleozoic crust. The melts experienced variable degrees of contamination by sediments, crust, and seawater. The age corrected Pb isotope ratios show two separated groups of samples. This suggests that the chemical composition of the mantle below the Northern Andes has been modified by the interaction with other components resulting in a heterogeneous combination of materials of diverse origins. Although previous K/Ar age dating have shown that the magmatism took place in the Cretaceous, the high error of the analyses and the altered nature of the investigated minerals did preclude reliable interpretations. In the present work 40Ar/39Ar dating was carried out. The results show a prolonged history of magmatism during the Cretaceous over more than 60 Ma, from ~136 to ~74 Ma (Hauterivian to Campanian). Pre-Cretaceous rifting phases occurred in the Triassic-Jurassic for the western part of the basin and in the Paleozoic for the eastern part. Those previous rifting phases are decisive mechanisms controlling the localization and composition of the Cretaceous magmatism. Therefore, it is the structural position and not the age of the intrusions which preconditions the kind of magmatism and the degree of melting. The divergences on ages are the consequence of the segmentation of the basin in several sub-basins which stretching, thermal evolution and subsidence rate evolved independently. The first hypothesis formulated at the beginning of this investigation was that the Cretaceous gabbroic intrusions identified in northern Ecuador could be correlated with the intrusions described in the Eastern Cordillera. The mafic occurrences should mark the location of the most subsiding places of the large Cretaceous basin in northern South America. For this reason, the gabbroic intrusions cutting the Cretaceous succession in the Putumayo Basin, southern Colombia, were investigated. The results of the studies were quite unexpected. The petrologic and geochemical character of the magmatic rocks indicates subduction-related magmatism. K/Ar dating of amphibole yields a Late Miocene to Pliocene age (6.1 ± 0.7 Ma) for the igneous event in the basin. Although there is no correlation between this magmatic event and the Cretaceous magmatic event, the data obtained has significant tectonic and economic implications. The emplacement of the Neogene gabbroic rocks coincides with the late Miocene/Pliocene Andean orogenic uplift as well as with a significant pulse of hydrocarbon generation and expulsion.show moreshow less
  • Die östliche Kordilliere Kolumbiens besteht hauptsächlich aus sedimentären Gesteinen, die seit dem frühen Mesozoikum angelagert wurden. Magmatische Gesteine sind rar und zeigen sich nur in Form von mafischen Gängen und Lagen die in kreidezeitliches Gestein intrudierten. Diese Arbeit untersucht den kretazischen Magmatismus um die Prozesse zu verstehen, die die Bildung dieser Gesteine ermöglichte. Die magmatischen Gesteine durchschlagen die kretazischen sedimentären Einheiten aus schwarzen Schiefern und Mergeln, die auf beiden Seiten der östlichen Kordilliere aufgeschlossen sind. Die untersuchten Gesteine wurden als Gabbros (Cáceres, Pacho, Rodrigoque), Tonalite (Cáceres, La Corona), Diorite und syenitische Diorite (La Corona), Pyroxen-Hornblende Gabbros (Pacho) und Pyroxen-Hornblendite eingestuft. Die gabbroiden Proben bestehen hauptsächlich aus Plagioklas, Klinopyroxen und/ oder grüner und brauner Hornblende. Die Tonalite sind aus Plagioklas und Quarz zusammengesetzt. Die Proben sind im Bezug auf ihre Kristallgröße sehr variabel.Die östliche Kordilliere Kolumbiens besteht hauptsächlich aus sedimentären Gesteinen, die seit dem frühen Mesozoikum angelagert wurden. Magmatische Gesteine sind rar und zeigen sich nur in Form von mafischen Gängen und Lagen die in kreidezeitliches Gestein intrudierten. Diese Arbeit untersucht den kretazischen Magmatismus um die Prozesse zu verstehen, die die Bildung dieser Gesteine ermöglichte. Die magmatischen Gesteine durchschlagen die kretazischen sedimentären Einheiten aus schwarzen Schiefern und Mergeln, die auf beiden Seiten der östlichen Kordilliere aufgeschlossen sind. Die untersuchten Gesteine wurden als Gabbros (Cáceres, Pacho, Rodrigoque), Tonalite (Cáceres, La Corona), Diorite und syenitische Diorite (La Corona), Pyroxen-Hornblende Gabbros (Pacho) und Pyroxen-Hornblendite eingestuft. Die gabbroiden Proben bestehen hauptsächlich aus Plagioklas, Klinopyroxen und/ oder grüner und brauner Hornblende. Die Tonalite sind aus Plagioklas und Quarz zusammengesetzt. Die Proben sind im Bezug auf ihre Kristallgröße sehr variabel. Biotit, Titanit und Zirkon sind in Form von Akzessorien enthalten. Die Proben sind mäßig bis stark überprägt. Diese enthalten zusätzlich Epidot, Aktinolit und Chlorit. Die Haupt- und Nebenelementzusammensetzung der Gesteine wie die Mineralassoziation an sich zeigen deutliche Unterschiede abhängig von der jeweiligen Lokalität. Das deutet auf mehrere Schmelzprozesse die zur Bildung der magmatischen Gesteine führten. Das breite Spektrum an Spurenelementen in den Intrusionen ist charakteristisch für verschiedene Grade der Mantelaufschmelzung und der Anreicherung dieser Schmelzen mit inkompatiblen Elementen. MORB und OIB Zusammensetzungen deuten auf mindestens zwei verschiedene Quellen des tholeiitischen und alkalinen Magmas hin. Im westlichen Teil des Kreidebeckens weisen höhere Ba/Nd und Sr/P Verhältnisse auf subduktionsinduzierte Fluide hin, die eventuell eine Metasomatose des Mantels nach sich zog. Die Verhältnisse der radiogenen Isotope von Sr spiegeln ebenfalls einen Fluideintrag wieder. Aufgrund der Spurenelementmuster kann davon ausgegangen werden, dass im kretazischen Becken extensionale Bewegungen zu einer Ausdünnung der kontinentalen Kruste führte bis im letzten Stadium ozeanische Kruste generiert wurde. Mikrosondenanalysen (EMPA) der Hauptelemente und Röntgenfluoreszenzanalyse mittels Synchrotonstrahlung (μ-SRXRF) der Spurenelemente von früh kristallisierten Mineralen der Intrusionen (Klinopyroxene und Amphibole) reflektieren den selben dualen Charakter wie die Gesamtgesteinsanalysen. Trotz Überprägung mancher Gesteine zeigen die Mineralkompositionen sowohl eine angereicherte als auch eine relativ verarmte Magmaquelle. Durch die Normalisierung der Spurenelemente von Klinopyroxen und Amphibol zum Gesamtgestein konnte gezeigt werden, dass die Überprägung keine Auswirkung auf die originalen Spurenelementkompositionen hatte. Sr-Nd-Pb Daten zeigen eine große Variationsbreite in den Isotopen, trotzdem ist noch der Mantel als initiale Quelle des Magmas sichtbar. Die Proben zeigen mäßige bis hohe radiogene Mengen an 143Nd/144Nd und hohe Verhältnisse von 87Sr/86Sr. Beides spricht für angereicherten Mantel als Ausgangsmaterial der mafischen Intrusiva. Sedimente, Kruste und Meerwasser kontaminieren das Gestein in variablen Anteilen. Korrigierte Pb Isotopenverhältnisse zeigen zwei unterschiedliche Probengruppen. Damit kann vermutet werden, dass die Chemie des Mantels unter den nördlichen Anden durch Interaktionen mit anderen Komponenten modifiziert wurde und so ein heterogenes Material entstand. Frühere K/Ar Datierungen zeigen, dass die Intrusionen der mafischen Gesteine in der Kreide erfolgten. Aufgrund des hohen Fehlers in den Analysen und den Alterationen an den untersuchten Mineralien, sollten derartige Interpretationen mit Vorsicht betrachtet werden. Diese Arbeit zeigt anhand von Ar/Ar Daten, dass sich der Zeitraum der magmatischen Ereignisse über 60Ma hinzieht. Es wurden Alter von 136 Ma bis 74 Ma ermittelt (Hauterivium/Campanium). Extensionsprozesse traten im östlichen Teil des Kreidebeckens bereits im Paleozoikum auf, der westliche Teil wurde an der Trias-Jura-Grenze von der Entwicklung erfasst. Diese frühen Riftprozesse haben maßgeblichen Einfluss auf die Lokalität und Komposition des kretazischen Magmatismus. Daher ist die strukturelle Position und nicht das Alter ausschlaggebend, wenn es um die Art des Magmatismus und den Grad der Aufschmelzung des Mantels geht. Die Spannbreite der ermittelten Alter steht im Zusammenhang mit der Segmentierung des Beckens. Diese Subbecken zeigen eine unterschiedliche thermische Entwicklung sowie eine unabhängige Evolution in Extension und Subsidenz. Eine erste Hypothese die zu Beginn der Arbeit formuliert wurde, ging davon aus, dass die kretazischen gabbroiden Intrusionen im nördlichen Equador mit den Intrusionen in der östlichen Kordilliere korrelierbar sind. Die mafischen Gesteine definieren ein Areal des nördlichen Südamerika, dass wohl die größte Subsidenz erfahren hat. Darum wurden die gabbroiden Gänge in den kretazischen Abfolgen des Putumayo Beckens, Süd-Kolumbien, erforscht. Diese Arbeit zeigt neue Resultate und Ergebnisse, die so nicht erwartet wurden. Der petrologische und geochemische Charakter der Magmatite zeigt subduktionsbezogenen Magmatismus. K/Ar Datierungen von Amphibolen zeigen ein spates Miozänes bis Pliozänes Alter (6.1 ± 0.7 Ma) für das Intrusionsereignis im Kreidebecken. Obwohl es keine Korrelation zwischen diesem magmatischen Ereignis und dem Kretazischen gibt, zeigen die Daten doch tektonische und ökonomische Zusammenhänge auf. Die Intrusion der neogenen Gabbroide überschneidet sich mit der späten miozänen/pliozänen andinen Hebung ebenso wie mit der signifikanten Bildung von Kohlenwasserstoffen und deren Einlagerung.show moreshow less

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Metadaten
Author:Mónica Fernanda Vásquez Parra
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-13183
Advisor:Uwe Altenberger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2007/04/24
Release Date:2007/05/25
Tag:Anden; Geochemie; Kolumbien; Kreide; Magmatismus
Andes; Colombia; Cretaceous; geochemistry; magmatism
RVK - Regensburg Classification:TH 02300
RVK - Regensburg Classification:TP 08850
RVK - Regensburg Classification:TF 04999
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften