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Mountain-range uplift & climate-system interactions in the Southern Central Andes

Wechselwirkungen zwischen Gebirgsbildung und Klima in den südlichen Zentralanden

  • Two of the most controversial issues concerning the late Cenozoic evolution of the Andean orogen are the timing of uplift of the intraorogenic Puna plateau and its eastern border, the Eastern Cordillera, and ensuing changes in climatic and surface-process conditions in the intermontane basins of the NW-Argentine Andes. The Eastern Cordillera separates the internally drained, arid Puna from semi-arid intermontane basins and the humid sectors of the Andean broken foreland and the Subandean fold-and-thrust belt to the east. With elevations between 4,000 and 6,000 m the eastern flanks of the Andes form an efficient orographic barrier with westward-increasing elevation and asymmetric rainfall distribution and amount with respect to easterly moisture-bearing winds. This is mirrored by pronounced gradients in the efficiency of surface processes that erode and re-distribute sediment from the uplifting ranges. Although the overall pattern of deformation and uplift in this sector of the southern central Andes shows an eastward migration ofTwo of the most controversial issues concerning the late Cenozoic evolution of the Andean orogen are the timing of uplift of the intraorogenic Puna plateau and its eastern border, the Eastern Cordillera, and ensuing changes in climatic and surface-process conditions in the intermontane basins of the NW-Argentine Andes. The Eastern Cordillera separates the internally drained, arid Puna from semi-arid intermontane basins and the humid sectors of the Andean broken foreland and the Subandean fold-and-thrust belt to the east. With elevations between 4,000 and 6,000 m the eastern flanks of the Andes form an efficient orographic barrier with westward-increasing elevation and asymmetric rainfall distribution and amount with respect to easterly moisture-bearing winds. This is mirrored by pronounced gradients in the efficiency of surface processes that erode and re-distribute sediment from the uplifting ranges. Although the overall pattern of deformation and uplift in this sector of the southern central Andes shows an eastward migration of deformation, a well-developed deformation front does not exist and uplift and associated erosion and sedimentary processes are highly disparate in space and time. In addition, periodic deformation within intermontane basins, and continued diachronous foreland uplifts associated with the reactivation of inherited basement structures furthermore make a rigorous assessment of the spatiotemporal uplift patterns difficult. This thesis focuses on the tectonic evolution of the Eastern Cordillera of NW Argentina, the depositional history of its intermontane sedimentary basins, and the regional topographic evolution of the eastern flank of the Puna Plateau. The intermontane basins of the Eastern Cordillera and the adjacent morphotectonic provinces of the Sierras Pampeanas and the Santa Bárbara System are akin to reverse fault bounded, filled, and partly coalesced sedimentary basins of the Puna Plateau. In contrast to the Puna basins, however, which still form intact morphologic entities, repeated deformation, erosion, and re-filling have impacted the basins in the Eastern Cordillera. This has resulted in a rich stratigraphy of repeated basin fills, but many of these basins have retained vestiges of their early depositional history that may reach back in time when these areas were still part of a contiguous and undeformed foreland basin. Fortunately, these strata also contain abundant volcanic ashes that are not only important horizons to decipher tectono-sedimentary events through U-Pb geochronology and geochemical correlation, but they also represent terrestrial recorders of the hydrogen-isotope composition of ancient meteoric waters that can be compared to the isotopic composition of modern meteoric water. The ash horizons are thus unique recorders of past environmental conditions and lend themselves to tracking the development of rainfall barriers and tectonically forced climate and environmental change through time. U-Pb zircon geochronology and paleocurrent reconstructions of conglomerate sequences in the Humahuaca Basin of the Eastern Cordillera at 23.5° S suggest that the basin was an integral part of a largely unrestricted depositional system until 4.2 Ma, which subsequently became progressively decoupled from the foreland by range uplifts to the east that forced easterly moisture-bearing winds to precipitate in increasingly eastward locations. Multiple cycles of severed hydrological conditions and drainage re-capture are identified together with these processes that were associated with basin filling and sediment evacuation, respectively. Moreover, systematic relationships among faults, regional unconformities and deformed landforms reveal a general pattern of intra-basin deformation that appears to be linked with basin-internal deformation during or subsequent to episodes of large-scale sediment removal. Some of these observations are supported by variations in the hydrogen stable isotope composition of volcanic glass from the Neogene to Quaternary sedimentary record, which can be related to spatiotemporal changes in topography and associated orographic effects. δDg values in the basin strata reveal two main trends associated with surface uplift in the catchment area between 6.0 and 3.5 Ma and the onset of semiarid conditions in the basin following the attainment of threshold elevations for effective orographic barriers to the east after 3.5 Ma. The disruption of sediment supply from western sources after 4.2 Ma and subsequent hinterland aridification, moreover, emphasize the possibility that these processes were related to lateral orogenic growth of the adjacent Puna Plateau. As a result of the hinterland aridification the regions in the orogen interior have been characterized by an inefficient fluvial system, which in turn has helped maintaining internal drainage conditions, sediment storage, and relief reduction within high-elevation basins. The diachronous nature of basin formation and impacts on the fluvial system in the adjacent broken foreland is underscored by the results of detailed sediment provenance and paleocurrent analyses, as well as U-Pb zircon geochronology in the Lerma and Metán basins at ca. 25° S. This is particularly demonstrated by the isolated uplift of the Metán range at ~10 Ma, which is more than 50 km away from the presently active orogenic front along the eastern Puna margin and the Eastern Cordillera to the west. At about 5 Ma, Puna-sourced sediments disappear from the foreland record, documenting further range uplifts in the Eastern Cordillera and hydrological isolation of the neighboring Angastaco Basin from the foreland. Finally, during the late Pliocene and Quaternary, deformation has been accommodated across the entire foreland and is still active. To elucidate the interactions between tectonically controlled changes in elevation and their impact on atmospheric circulation processes in this region, this thesis provides additional, temporally well-constrained hydrogen stable isotope results of volcanic glass samples from the broken foreland, including the Angastaco Basin, and other intermontane basins farther south. The results suggest similar elevations of intermontane basins and the foreland sectors prior to ca. 7 Ma. In case of the Angastaco Basin the region was affected by km-scale surface uplift of the basin. A comparison with coeval isotope data collected from sedimentary sequences in the Puna plateau explains rapid shifts in the intermontane δDg record and supports the notion of recurring phases of enhanced deep convection during the Pliocene, and thus climatic conditions during the middle to late Pliocene similar to the present day. Combined, field-based and isotope geochemical methods used in this study of the NW-Argentine Andes have thus helped to gain insight into the systematics, rate changes, interactions, and temporal characteristics among tectonically controlled deformation patterns, the build-up of topography impacting atmospheric processes, the distribution of rainfall, and resulting surface processes in a tectonically active mountain belt. Ultimately, this information is essential for a better understanding of the style and the rates at which non-collisional mountain belts evolve, including the development orogenic plateaus and their bordering flanks. The results presented in this study emphasize the importance of stable isotope records for paleoaltimetric and paleoenvironmental studies in mountain belts and furnishes important data for a rigorous interpretation of such records.show moreshow less
  • Zwei häufig diskutierte Aspekte der spätkänozoischen Gebirgsbildung der Anden sind der Zeitpunkt sowie die Art und Weise der Heraushebung des Puna-Plateaus und seiner Randgebiete innerhalb der Ostkordillere und die damit verbundenen klimatischen Änderungen in NW Argentinien. Die Ostkordillere trennt die Bereiche des endorheischen, ariden Plateaus von semiariden und extern entwässerten intermontanen Becken sowie dem humiden Andenvorland im Osten. Diese Unterschiede verdeutlichen die Bedeutung der östlichen Flanken der Anden als orografische Barrieren gegenüber feuchten Luftmassen aus dem Osten und spiegelt sich auch in ausgeprägten Relief- und Topografiegradienten, der Niederschlagsverteilung, und der Effizienz von Oberflächenprozessen wider. Obwohl das übergeordnete Deformationsmuster in diesem Teil der Anden eine ostwärts gerichtete Wanderung der Deformationsprozesse im Gebirge indiziert, gibt es hier keine klar definierte Deformationsfront. Hebungsvorgänge und die damit im Zusammenhang stehenden Sedimentprozesse setzen räumlich undZwei häufig diskutierte Aspekte der spätkänozoischen Gebirgsbildung der Anden sind der Zeitpunkt sowie die Art und Weise der Heraushebung des Puna-Plateaus und seiner Randgebiete innerhalb der Ostkordillere und die damit verbundenen klimatischen Änderungen in NW Argentinien. Die Ostkordillere trennt die Bereiche des endorheischen, ariden Plateaus von semiariden und extern entwässerten intermontanen Becken sowie dem humiden Andenvorland im Osten. Diese Unterschiede verdeutlichen die Bedeutung der östlichen Flanken der Anden als orografische Barrieren gegenüber feuchten Luftmassen aus dem Osten und spiegelt sich auch in ausgeprägten Relief- und Topografiegradienten, der Niederschlagsverteilung, und der Effizienz von Oberflächenprozessen wider. Obwohl das übergeordnete Deformationsmuster in diesem Teil der Anden eine ostwärts gerichtete Wanderung der Deformationsprozesse im Gebirge indiziert, gibt es hier keine klar definierte Deformationsfront. Hebungsvorgänge und die damit im Zusammenhang stehenden Sedimentprozesse setzen räumlich und zeitlich sehr unterschiedlich ein. Zudem gestalten periodisch wiederkehrende Deformationsereignisse innerhalb intermontaner Becken und diachrone Hebungsvorgänge, durch Reaktivierung älterer Sockelstrukturen im Vorland, eine detaillierte Auswertung der räumlich-zeitlichen Hebungsmuster zusätzlich schwierig. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die tektonische Entwicklung der Ostkordillere im Nordwesten Argentiniens, die Ablagerungsgeschichte ihrer intermontanen Sedimentbecken und die topografische Entwicklung der Ostflanke des andinen Puna-Plateaus. Im Allgemeinen sind sich die Sedimentbecken der Ostkordillere und der angrenzenden Provinzen, den Sierras Pampeanas und der Santa Bárbara Region, den durch Störungen begrenzten und mit Sedimenten verfüllten Becken der hochandinen Plateauregion sehr ähnlich. Deutliche Unterschiede zur Puna bestehen aber dennoch, denn wiederholte Deformations-, Erosions- und Sedimentationsprozesse haben in den intermontanen Becken zu einer vielfältigen Stratigrafie, Überlagerungsprozessen und einer durch tektonische Prozesse und klimatischen Wandel charakterisierten Landschaft beigetragen. Je nach Erhaltungsgrad können in einigen Fällen Spuren dieser sedimentären und tektonischen Entwicklung bis in die Zeit zurückreichen, als diese Bereiche des Gebirges noch Teil eines zusammenhängenden und unverformten Vorlandbeckens waren. Im Nordwesten Argentiniens enthalten känozoische Sedimente zahlreiche datierbare und geochemisch korrelierbare Vulkanaschen, die nicht nur als wichtige Leithorizonte zur Entschlüsselung tektonischer und sedimentärer Ereignisse dienen. Die vulkanischen Gläser dieser Aschen archivieren außerdem Wasserstoff-Isotopenverhältnisse früherer Oberflächenwasser, mit deren Hilfe - im Vergleich mit den Isotopenverhältnissen rezenter meteorischer Wässer - die räumliche und zeitliche Entstehung orografischer Barrieren und tektonisch erzwungene Klima- und Umweltveränderungen verfolgt werden können. Uran-Blei-Datierungen an Zirkonen aus den vulkanischen Aschelagen und die Rekonstruktion sedimentärer Paläotransportrichtungen im intermontanen Humahuaca-Becken in der Ostkordillere (23.5° S) deuten an, dass das heutige Becken bis vor etwa 4.2 Ma Bestandteil eines größtenteils uneingeschränkten Ablagerungsbereichs war, der sich bis ins Vorland erstreckt haben muss. Deformation und Hebung östlich des heutigen Beckens sorgten dabei für eine fortschreitende Entkopplung des Entwässerungsnetzes vom Vorland und eine Umlenkung der Flussläufe nach Süden. In der Folge erzwang die weitere Hebung der Gebirgsblöcke das Abregnen östlicher Luftmassen in immer östlicher gelegene Bereiche. Zudem können periodische Schwankungen der hydrologischen Verbindung des Beckens mit dem Vorland im Zusammenhang mit der Ablagerung und Erosion mächtiger Beckenfüllungen identifiziert werden. Systematische Beziehungen zwischen Verwerfungen, regionalen Diskontinuitäten und verstellten Terrassenflächen verweisen außerdem auf ein generelles Muster beckeninterner Deformation, vermutlich als Folge umfangreicher Beckenerosion und damit verbundenen Änderungen im tektonischen Spannungsfeld der Region. Einige dieser Beobachtungen können anhand veränderter Wasserstoff-Isotopenkonzentrationen vulkanischer Gläser aus der känozoischen Stratigrafie untermauert werden. Die δDg-Werte zeigen zwei wesentliche Trends, die einerseits in Verbindung mit Oberflächenhebung innerhalb des Einzugsgebiets zwischen 6.0 und 3.5 Ma stehen und andererseits mit dem Einsetzen semiarider Bedingungen durch Erreichen eines Schwellenwertes der Topografie der östlich gelegenen Gebirgszüge nach 3.5 Ma erklärt werden können. Tektonisch bedingte Unterbrechung der Sedimentzufuhr aus westlich gelegenen Liefergebieten um 4.2 Ma und die folgende Hinterland-Aridifizierung deuten weiterhin auf die Möglichkeit hin, dass diese Prozesse die Folge eines lateralen Wachstums des Puna-Plateaus sind. Diese Aridifizierung im Bereich der Puna resultierte in einem ineffizienten, endorheischen Entwässerungssystem, das dazu beigetragen hat, das Plateau vor Einschneidung und externer Entwässerung zu bewahren und Reliefgegensätze aufgrund fortgesetzter Beckensedimentation reduzierte. Die diachrone Natur der Hebungen und Beckenbildungen sowie deren Auswirkungen auf das Flusssystem im angrenzenden Vorland wird sowohl durch detaillierte Analysen der Sedimentherkunft und Transportrichtungen als auch Uran-Blei-Datierungen im Lerma- und Metán-Becken (25° S) weiterhin unterstrichen. Das wird besonders deutlich am Beispiel der isolierten Hebung der Sierra de Metán vor etwa 10 Ma, die mehr als 50 km von der aktiven orogenen Front im Westen entfernt liegt. Ab 5 Ma sind typische Lithologien der Puna nicht mehr in den Vorlandsedimenten nachweisbar, welches die weitere Hebung innerhalb der Ostkordillere und die hydrologische Isolation des Angastaco-Beckens in dieser Region dokumentiert. Im Spätpliozän und Quartär ist die Deformation letztlich über das gesamte Vorland verteilt und bis heute aktiv. Um die Beziehungen zwischen tektonisch kontrollierten Veränderungen der Topografie und deren Einfluss auf atmosphärische Prozesse besser zu verstehen, werden in dieser Arbeit weitere altersspezifische Wasserstoff-Isotopendaten vulkanischer Gläser aus dem zerbrochenen Vorland, dem Angastaco-Becken in der Übergangsregion zwischen Ostkordillere und Punarand und anderer intermontaner Becken weiter südlich vorgestellt. Die Resultate dokumentieren ähnliche Höhenlagen der untersuchten Regionen bis ca. 7 Ma, gefolgt von Hebungsprozessen im Bereich des Angastaco-Beckens. Ein Vergleich mit Isotopendaten vom benachbarten Puna-Plateau hilft abrupte δDg-Schwankungen in den intermontanen Daten zu erklären und untermauert die Existenz wiederkehrender Phasen verstärkt konvektiver Wetterlagen im Pliozän, ähnlich heutigen Bedingungen. In dieser Arbeit werden geländeorientierte und geochemische Methoden kombiniert, um Erkenntnisse über die Abläufe von topografiebildenden Deformations- und Hebungsprozessen zu gewinnen und Wechselwirkungen mit der daraus resultierenden Niederschlagsverteilung, Erosion und Sedimentation innerhalb tektonisch aktiver Gebirge zu erforschen. Diese Erkenntnisse sind für ein besseres Verständnis von Subduktionsgebirgen essentiell, besonders hinsichtlich des Deformationsstils und der zeitlich-räumlichen Beziehungen bei der Hebung und Sedimentbeckenbildung. Diese Arbeit weist darüberhinaus auf die Bedeutung stabiler Isotopensysteme zur Beantwortung paläoaltimetrischer Fragestellungen und zur Erforschung von Paläoumweltbedingungen hin und liefert wichtige Erkenntnisse für einen kritischen Umgang mit solchen Daten in anderen Regionen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Heiko Pingel
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-82301
Advisor:Manfred R. Strecker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/08/10
Release Date:2015/10/21
Tag:Argentinien; Geologie; Neotektonik; Ostkordillere; Paläoaltimetrie; Puna; U-Pb Geochronologie; stabile Isotope; vulkanischer Gläser
Argentina; Eastern Cordillera; Puna; U-Pb geochronology; geology; neotectonics; paleoaltimetry; stable isotopes; volcanic glass
Pagenumber:xii, 178
RVK - Regensburg Classification:TF 04999, TP 8800, TP 08800
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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