• search hit 1 of 4
Back to Result List

Neotectonics & Cooling History of the Southern Patagonian Andes

Neotektonik und Abkühlgeschichte der Südpatagonschen Anden

  • The collision of bathymetric anomalies, such as oceanic spreading centers, at convergent plate margins can profoundly affect subduction dynamics, magmatism, and the structural and geomorphic evolution of the overriding plate. The Southern Patagonian Andes of South America are a prime example for sustained oceanic ridge collision and the successive formation and widening of an extensive asthenospheric slab window since the Middle Miocene. Several of the predicted upper-plate geologic manifestations of such deep-seated geodynamic processes have been studied in this region, but many topics remain highly debated. One of the main controversial topics is the interpretation of the regional low-temperature thermochronology exhumational record and its relationship with tectonic and/or climate-driven processes, ultimately manifested and recorded in the landscape evolution of the Patagonian Andes. The prominent along-strike variance in the topographic characteristics of the Andes, combined with coupled trends in low-temperature thermochronometerThe collision of bathymetric anomalies, such as oceanic spreading centers, at convergent plate margins can profoundly affect subduction dynamics, magmatism, and the structural and geomorphic evolution of the overriding plate. The Southern Patagonian Andes of South America are a prime example for sustained oceanic ridge collision and the successive formation and widening of an extensive asthenospheric slab window since the Middle Miocene. Several of the predicted upper-plate geologic manifestations of such deep-seated geodynamic processes have been studied in this region, but many topics remain highly debated. One of the main controversial topics is the interpretation of the regional low-temperature thermochronology exhumational record and its relationship with tectonic and/or climate-driven processes, ultimately manifested and recorded in the landscape evolution of the Patagonian Andes. The prominent along-strike variance in the topographic characteristics of the Andes, combined with coupled trends in low-temperature thermochronometer cooling ages have been interpreted in very contrasting ways, considering either purely climatic (i.e. glacial erosion) or geodynamic (slab-window related) controlling factors. This thesis focuses on two main aspects of these controversial topics. First, based on field observations and bedrock low-temperature thermochronology data, the thesis addresses an existing research gap with respect to the neotectonic activity of the upper plate in response to ridge collision - a mechanism that has been shown to affect the upper plate topography and exhumational patterns in similar tectonic settings. Secondly, the qualitative interpretation of my new and existing thermochronological data from this region is extended by inverse thermal modelling to define thermal histories recorded in the data and evaluate the relative importance of surface vs. geodynamic factors and their possible relationship with the regional cooling record. My research is centered on the Northern Patagonian Icefield (NPI) region of the Southern Patagonian Andes. This site is located inboard of the present-day location of the Chile Triple Junction - the juncture between the colliding Chile Rise spreading center and the Nazca and Antarctic Plates along the South American convergent margin. As such this study area represents the region of most recent oceanic-ridge collision and associated slab window formation. Importantly, this location also coincides with the abrupt rise in summit elevations and relief characteristics in the Southern Patagonian Andes. Field observations, based on geological, structural and geomorphic mapping, are combined with bedrock apatite (U-Th)/He and apatite fission track (AHe and AFT) cooling ages sampled along elevation transects across the orogen. This new data reveals the existence of hitherto unrecognized neotectonic deformation along the flanks of the range capped by the NPI. This deformation is associated with the closely spaced oblique collision of successive oceanic-ridge segments in this region over the past 6 Ma. I interpret that this has caused a crustal-scale partitioning of deformation and the decoupling, margin-parallel migration, and localized uplift of a large crustal sliver (the NPI block) along the subduction margin. The location of this uplift coincides with a major increase of summit elevations and relief at the northern edge of the NPI massif. This mechanism is compatible with possible extensional processes along the topographically subdued trailing edge of the NPI block as documented by very recent and possibly still active normal faulting. Taken together, these findings suggest a major structural control on short-wavelength variations in topography in the Southern Patagonian Andes - the region affected by ridge collision and slab window formation. The second research topic addressed here focuses on using my new and existing bedrock low-temperature cooling ages in forward and inverse thermal modeling. The data was implemented in the HeFTy and QTQt modeling platforms to constrain the late Cenozoic thermal history of the Southern Patagonian Andes in the region of the most recent upper-plate sectors of ridge collision. The data set combines AHe and AFT data from three elevation transects in the region of the Northern Patagonian Icefield. Previous similar studies claimed far-reaching thermal effects of the approaching ridge collision and slab window to affect patterns of Late Miocene reheating in the modelled thermal histories. In contrast, my results show that the currently available data can be explained with a simpler thermal history than previously proposed. Accordingly, a reheating event is not needed to reproduce the observations. Instead, the analyzed ensemble of modelled thermal histories defines a Late Miocene protracted cooling and Pliocene-to-recent stepwise exhumation. These findings agree with the geological record of this region. Specifically, this record indicates an Early Miocene phase of active mountain building associated with surface uplift and an active fold-and-thrust belt, followed by a period of stagnating deformation, peneplanation, and lack of synorogenic deposition in the Patagonian foreland. The subsequent period of stepwise exhumation likely resulted from a combination of pulsed glacial erosion and coeval neotectonic activity. The differences between the present and previously published interpretation of the cooling record can be reconciled with important inconsistencies of previously used model setup. These include mainly the insufficient convergence of the models and improper assumptions regarding the geothermal conditions in the region. This analysis puts a methodological emphasis on the prime importance of the model setup and the need for its thorough examination to evaluate the robustness of the final outcome.show moreshow less
  • Die Kollision ozeanischer Rückensysteme entlang aktiver Subduktionszonen kann eine nachhaltige Wirkung auf die geodynamische, magmatische, strukturelle und geomorphologische Entwicklung der Oberplatte ausüben. Die Südpatagonischen Anden repräsentieren ein außergewöhnliches Beispiel für eine aktive ozeanische Rückenkollision mit einem Kontinentalrand, die über mehrere Millionen Jahre hinweg aufrechterhalten wurde. Dieser Prozess wurde begleitet von großräumigen Mantelprozessen mit der gleichzeitigen Bildung eines asthenosphärischen Fensters unter Südpatagonien – eine weiträumige Öffnung zwischen den divergierenden ozeanischen Platten unter der Oberplatte, die den Kontakt des asthenosphärischen Mantels mit der kontinentalen Lithosphäre ermöglicht hat. Auch wenn die daraus resultierenden geologischen Erscheinungsformen der Oberplatte bereits in unterschiedlichen Regionen studiert wurden, bleiben viele Fragen hinsichtlich der assoziierten Exhumations- Abkühlungs- und Deformationsprozesse noch offen. Eine kontroverse Frage in diesemDie Kollision ozeanischer Rückensysteme entlang aktiver Subduktionszonen kann eine nachhaltige Wirkung auf die geodynamische, magmatische, strukturelle und geomorphologische Entwicklung der Oberplatte ausüben. Die Südpatagonischen Anden repräsentieren ein außergewöhnliches Beispiel für eine aktive ozeanische Rückenkollision mit einem Kontinentalrand, die über mehrere Millionen Jahre hinweg aufrechterhalten wurde. Dieser Prozess wurde begleitet von großräumigen Mantelprozessen mit der gleichzeitigen Bildung eines asthenosphärischen Fensters unter Südpatagonien – eine weiträumige Öffnung zwischen den divergierenden ozeanischen Platten unter der Oberplatte, die den Kontakt des asthenosphärischen Mantels mit der kontinentalen Lithosphäre ermöglicht hat. Auch wenn die daraus resultierenden geologischen Erscheinungsformen der Oberplatte bereits in unterschiedlichen Regionen studiert wurden, bleiben viele Fragen hinsichtlich der assoziierten Exhumations- Abkühlungs- und Deformationsprozesse noch offen. Eine kontroverse Frage in diesem Zusammenhang bezieht sich auf die Interpretation von Niedrigtemperatur-Thermochronologiedaten, welche die jüngste Abkühlungs- und Deformationsgeschichte der Erdkruste und die Landschaftsentwicklung in Südpatagonien dokumentieren. Diese Abkühlgeschichte kann theoretisch zeitliche und/oder räumliche Variationen im Erosionspotential von Oberflächenprozessen und der daraus resultierenden jüngsten Exhumation beleuchten oder auch den Einfluss überlagerter thermischer Effekte des hochliegenden Mantels widerspiegeln. Die ausgeprägten topographischen Änderungen entlang des Streichens der Patagonischen Anden, die offenbar auch an Trends in den thermochronometrischen Daten gekoppelt sind, wurden in der Vergangenheit bereits äußerst kontrovers interpretiert. Endglieder dieser Diskussion sind entweder klimatisch gesteuerte Prozessmodelle und eine damit verbundene räumliche Variabilität in der Exhumation (glaziale Erosion) oder geodynamischen Prozesse, die insbesondere eine regional begrenzte Deformation und Hebung mit der Kollision des ozeanischen Chile-Rückens in Verbindung bringen. Diese Dissertation ist daher auf zwei wesentliche Aspekte dieser Problematik fokussiert. Sie befasst sich einerseits mit der soweit kaum erforschten Existenz junger (neotektonischer) Deformationsphänomene, die unmittelbar mit der Rückenkollision in Verbindung steht und das Potenzial hat, die Topographie und die thermochronometrisch dokumentierte Abkühlgeschichte des Patagonischen Gebirgszuges mitbeeinflusst zu haben. Ein weiterer Forschungsfokus liegt auf der erweiterten Interpretation eines Teils der im Rahmen dieser Arbeit erstellten sowie von vorhandenen thermochronometrischen Datensätzen durch inverse numerische Modellierungen. Diese Modellierungen hatten das Ziel, die thermische Geschichte der Proben, die am besten die beobachteten Daten reproduzieren kann, zu definieren und die relative Bedeutung geodynamischer und oberflächennaher Prozesse abzuschätzen. Das Untersuchungsgebiet liegt in dem Gebirgsmassiv des Nordpatagonischen Eisfeldes von Südostpatagonien. Dieser Teil der Südpatagonischen Anden liegt in der Region, wo die derzeitig aktive Kollision des Chile-Rückens seit 6 Millionen Jahren im Gange ist. Der Nordrand des Gebirgsmassivs fällt zusammen mit der abrupten Zunahme der Topographie am Übergang von den Nord- in den Südpatagonischen Anden - das Gebiet, das von ozeanischer Rückenkollision betroffen wurde und durch die Bildung des asthenosphärischen Fensters gekennzeichnet ist. Diverse Feldbeobachtungen, kombiniert mit neuen thermochronometrischen Daten ((U-Th)/He- und Spaltspurendatierungen an Apatiten von Festgesteinsproben, AHe und AFT), dokumentieren die bisher unbekannte Existenz junger tektonischer Bewegungen entlang der Flanken dieses erhöhten Gebirgszuges, welche die topographischen, geomorphologischen und thermochronometrischen Charakteristika der Region deutlich beeinflusst haben. Diese Deformation wurde ausgelöst durch die schräge Kollision von Segmenten des Chile- Rückens, die eine Partitionierung in der Krustendeformation in Komponenten die jeweils parallel und orthogonal zum konvergenten Plattenrand orientiert sind, nach sich zog. Dieser hierbei entstandene Krustenblock des Nordpatagonischen Eisfeldes wurde entlang der Plattengrenze entkoppelt und nordwärts bewegt. Diese Kinematik führte zur lokalen Hebung und Extension (Absenkung) jeweils entsprechend am Nord- und Südrand des Krustenblocks. Die resultierende differentielle Hebung und Extension dieses Krustenblocks korreliert sehr gut mit Muster der räumlichen Verteilung der Topographie und den regionalen thermochronometrischen Daten und legt somit eine direkte Beziehung zwischen geodynamischen Randbedingungen, tektonischer Deformation, Exhumation und Landschaftsentwicklung nahe. Der zweite Forschungsfokus liegt auf der Implementierung meiner neuen sowie bereits publizierter thermochronometrischer Daten in Vorwärts- und inversen numerischen Modellierungen. Es wurden die frei verfügbaren Modellierungsplattformen HeFTy und QTQt benutzt, um die Abkühlungsgeschichte der Südpatagonischen Anden im Gebiet der jüngsten ozeanischen Rückenkollision zu definieren. Der Datensatz kombiniert AHe und AFT Abkühlalter aus drei Höhenprofilen in der Region des Nordpatagonischen Eisfeldes. Kürzlich publizierte Studien, die auf identischen Datierungsmethoden und numerischen Ansätzen beruhen, postulieren, dass ein signifikanter und räumlich weitreichender thermischer Effekt, , sich bereits während des Obermiozäns in den thermochronometrischen Daten manifestiert und auf die Bildung des asthenosphärischen Fensters zurückzuführen ist. Im Unterschied dazu zeigen meine Ergebnisse, dass die verfügbaren thermochronometrischen Daten mit einem einfacheren thermischen Szenario erklärt werden können und ein thermischer Puls nicht notwendig ist, um die Abkühlalter in der vorliegenden Form zu reproduzieren. Das kumulative Ergebnis der Modellierungen dokumentiert eine alternative Möglichkeit mit einer langsamen und/oder stagnierenden Abkühlung im Obermiozän, auf die dann im Pliozän eine schnelle und ausgeprägte schrittweise Abkühlung stattfand. Diese Ergebnisse sind kompatibel mit der geologischen Geschichte der Region. So wurde in diesem Gebiet eine Phase aktiver Einengung, Hebung und Exhumation im Unteren Miozän nachgewiesen. Dieser Episode folgte eine Phase der Ruhe in der Deformation, eine großräumige Einebnung der Deformationsfront durch fluviatile Prozesse und eine drastische Abnahme synorogener Ablagerungen. Die darauffolgende Phase schrittweiser Abkühlung resultierte aus einer Kombination von einerseits rekurrenten weiträumigen Vergletscherungen und damit einhergehender glazialer Erosion und andererseits von gleichzeitigen lokalen tektonischen Vertikalbewegungen durch Störungen, die im plattentektonischen Kontext aktiver ozeanischer Rückenkollision entstanden. Die signifikanten Unterschiede zwischen bereits publizierten und den hier präsentierten Ergebnissen beruhen auf der Erkenntnis wichtiger Nachteile der früher benutzten Modellannahmen. Diese beinhalten z.B. die unzureichende Konvergenz (unzureichende Anzahl an Iterationen) und Vorgaben bezüglich der regionalen geothermischen Bedingungen. Diese kritische Betrachtung zeigt, dass methodische Schwerpunkte und Annahmen dieser Modellierungen gründlich geprüft werden müssen, um eine objektive Abschätzung der Ergebnisse zu erzielen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Impakt bisher unbekannter neotektonischer Strukturen entlang des konvergenten Plattenrandes von Südpatagonien sehr weitreichende Folgen hat. Diese Strukturen stehen räumlich und zeitlich in direkter Beziehung zur seit dem Obermiozän andauernden Subduktion verschiedener Segmente des Chile-Spreizungszentrums; sie unterstreichen die fundamentale Bedeutung der Subduktion bathymetrischer Anomalien für die tektonische und geomorphologische Entwicklung der Oberplatte, besonders in Regionen mit ausgeprägten Erosionsprozessen. Die hier dokumentierten Ergebnisse aus der inversen numerischen Modellierung thermochronometrischer Daten stellen bereits publizierte Befunde aus Studien infrage, die auf ähnlichen Ansätzen beruhen und welche den regionalen thermischen Effekt des asthenosphärischen Fensters in Südpatagonien hervorheben. Meine Ergebnisse dokumentieren stattdessen eine Abkühlungsgeschichte, die durch eine synergistische, klimatisch und tektonisch bedingte schrittweise Exhumation definiert ist. Eine abschließende synoptische Betrachtung der gesamten thermochronometrischen Daten in Südpatagonien belegt das Fehlen von Mustern in der regionalen Verteilung von Abkühlaltern entlang des Streichens des Orogens. Die Existenz eines solchen Trends wurde früher postuliert und im Rahmen eines transienten Pulses dynamischer Topographie und Exhumation interpretiert, der mit der Bildung und Migration des asthenosphärischen Fensters assoziiert wurde. Meine neue Zusammenstellung und Interpretation der Thermochronometrie zeigt stattdessen, dass die regionale Verteilung von Abkühlaltern in Südpatagonien vor allem durch die langfristig wirksame räumliche Verteilung glazialer Erosionsprozesse bestimmt wird, die u.a. zu einer tieferen Exhumation im Zentrum des Orogens geführt hat. Dieses regionale Exhumationsmuster wird allerdings lokal durch differentielle Hebung von Krustenblöcken modifiziert, die mit den neotektonischen Bewegungen im Rahmen der Kollision des Kontinentalrandes mit dem ozeanischen Chile-Rücken und der Partitionierung der Deformation in Zusammenhang stehen.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Metadaten
Author:Viktoria GeorgievaORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104185
Subtitle (English):assessing the Role of Ridge Collision and Slab Window Formation inboard of the Chile Triple Junction (46-47°S)
Subtitle (German):die Rolle von ozeanischer Rückenkollision und der Bilding eines “slab window” am Chile-Triplepunkt (47°S)
Advisor:Manfred R. Strecker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2017
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/12/21
Release Date:2017/04/27
Tag:Apatit-(U-Th)/He Datierung; Apatit-Spaltspurendatierung; Neotektonik; Patagonia; Rückenkollision; Thermochronologie; asthenospherisches "slab-window"; thermische Modellierung
Apatite (U-Th)/He, apatite fission track dating; Patagonia; asthenospheric slab-window; neotectonics; ridge-collision; thermal modeling; thermochronology
Pagenumber:xviii, 200 Seiten
RVK - Regensburg Classification:TP 8875
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht