Sedimentary and tectonic evolution of the Cenozoic Chaco foreland basin, southern Bolivia

Abstract

The development of the Andes reflects the interaction of several processes, which in turn were triggered by the subduction of the oceanic Nazca plate along the South American plate margin. The principal processes include magmatism on the South American continent, thickening of the crust by shortening, and climate change. Shortening along the eastern flank of the Central Andes led to the development of a fold-thrust belt and a related retroarc foreland basin. In southern Bolivia, the fold-thrust belt consists of an internal zone (the Eastern Cordillera), an external zone (the Subandean Belt), and a transition zone (the Interandean). Eastward of this fold-thrust belt adjoins the flat plain of the Chaco, which forms the recent retroarc foreland basin of the Central Andes. The Chaco Basin forms an ideal natural laboratory to study the effects of orogenic processes relating to foreland basin development. The study area encompasses the Subandean Belt and the Chaco Basin in southern Bolivia between 18°-22° S. The Cenozoic sediments of the Subandean fold-thrust belt and the Chaco foreland basin reach up to 7500 m in thickness and are composed of five distinct formations: 1\. The basal Petaca Formation is composed (from the base to the top) of calcretes, reworked pedogenic clasts, and fluvial sandstones interbedded with mudstones. The sandstones of the Petaca Fm are quartz-rich and show east-to-west-directed paleocurrents, suggesting extensive recycling or highly abrasive processes acting on rocks of continental provenance. The upper part of the Petaca Formation was deposited along the western flank of the forebulge whereas its lower part represents depozones located on the forebulge. 2\. The Yecua Formation overlies the Petaca Formation. In the northern part of the Chaco Basin, the Yecua Formation consists of vary-colored mudstones, thin-bedded coarse-grained sandstones, marl with shell hash and ooids, and thinly interbedded mudstone-sandstone couplets. The lithologies denote a coastal environment with humid to semi-arid floodplains, shorelines, tidal areas and restricted shallow-marine environments. Sandstones are very quartz-rich and reflect north-to-south paleocurrents, indicating cratonic source rocks. In the southern part of the foreland basin, the Yecua Formation consists of mudstones interbedded with thin sandstone beds, suggesting a floodplain and overbank depositional environment. The lithologies of the Yecua Formation represent a wetland environment, probably located in a very distal foredeep. 3\. The Tariquia Formation overlies the Yecua Formation and contains sandstones and mudstones, in which the thickness of the sandstone increases stratigraphically upwards at the expense of the mudstone. Sandstones show decreasing quartz content with respect to the underlying strata, indicating a provenance change from cratonic and continental provenance to a quartzose recycled orogen provenance, with paleocurrents directed west-to-east. The depozone of the Tariquia Formation corresponds to a central foredeep. 4\. The Guandacay Formation overlies the Tariquia Formation and consists of thick sandstone and subordinate mudstone. The sandstone includes a significant amount of granules and cobbles. The sandstones of the Guandacay Formation carry a considerable amount of lithic fragments and feldspar, reflecting a quartzose recycled- orogen provenance. West-to-east directed paleocurrents confirm an orogen provenance. The Guandacay Formation corresponds to a proximal foredeep depozone. 5\. The youngest unit of the foreland basin fill, the Emborozú Formation is composed of thick, well-rounded cobble- to boulder conglomerates and thick-bedded sandstone. Sandstone petrography shows a high content of lithic fragments and feldspar, representing a quartzose to lithic recycled orogen provenance. West-to-east directed paleocurrents confirm a very proximal orogen provenance. The Emborozú Formation was deposited in a wedge-top depozone. A biostratigraphic study of ostracodes and foraminifera, which occur in the Yecua Formation in the northern Chaco Basin, yield a shallow-marine depositional environment. However, isotope ratios (strontium, oxygen, and carbon) of these microfossils suggest a water system that mainly consisted of cratonic water runoff and subordinate Andean water runoff. The isotopic compositions within the shells of marine species indicate a very short-lived shallow-marine incursion into a lacustrine environment or wetland located between the backarc of the central Andes and the Brazilian Shield. Radiometric age dates, biostratigraphy, and lithostratigraphy of the Cenozoic foreland basin formations indicate a strongly diachronous age of the aforementioned, largely lithostratigraphically defined formations. The age of deposition for each formation decreases to the east and south. The eastward-decreasing age of the Cenozoic formations is a function of the eastward propagation of the deformation front since the Oligocene. The southward-decreasing age of each formation depends on the distinct and oblique eastward propagation of the deformation front between 17° and 23° S. The deformation front propagated in the north earlier into the Interandean and Subandean region than in the south, which resulted in significantly older depositional ages for identical lithofacies in the north.

Die Entwicklung der Anden wurde durch verschiedene Prozesse beeinflußt, die wiederum ausgelöst wurden durch die Subduktion der ozeanischen Nazca Platte entlang des südamerikanischen Kontinentalrandes. Als wichtigste Faktoren gelten der Magmatismus innerhalb des südamerikanischen Kontinents, Verdickung der Kruste durch Verkürzungsprozesse und klimatische Bedingungen. Verkürzungsprozesse entlang der Ostflanke der Zentralen Anden führten zur Bildung von Falten und Überschiebungsgürteln sowie einem Vorlandbecken- System. In Südbolivien umfasst der Falten und Überschiebungsgürtel einen internen Teil (die östliche Ostkordillere), einen externen Teil (das Subandin) und eine Übergangszone zwischen Ostkordillere und Subandin (das Interandin). Östlich des Überschiebungsgürtels schließt sich in Südbolivien das Tiefland des Chaco-Beckens an, welches das rezente Vorlandbecken der zentralen Anden bildet. Die Bildung des Vorlandbeckens steht im direkten Zusammenhang mit geologischen Prozessen, die zur Bildung des Falten und Überschiebungsgürtel der Anden geführt haben. Damit bietet das Tiefland des Chaco ein ideales natürliches Labor, um die Einfluss dieser Prozesse auf das Vorland zu studieren. Das Untersuchungsgebiet beinhaltet das Subandin und den Chaco in Südbolivien zwischen 18°-22° S. Die känozoischen Sedimente des Chaco Vorlandbeckens sind bis zu 7500 m mächtig und beinhalten Lithologien, die in fünf Formationen unterteilt werden: 1\. Die Petaca Formation ist aufgebaut von der Basis bis zum Top aus Konkretionen in einer sandigen Matrix, konglomeratisch aufgearbeiteten Konkretionen und mächtigen Sandsteinen mit zwischengeschalteten Tonsteinen. Die Sandsteine der Petaca Formation sind quarzreich, weisen Ost-nach-West gerichtete Fliessrichtung auf und zeigen einen hohen Grad an Aufbereitungs- und Abtragungsprozessen. Die sedimentpetrologischen Untersuchungen des oberen Teils der Petaca Formation deuten auf einen Ablagerungsraum an der westlichen Flanke des forebulge, wohingegen der untere Teil der Petaca Formation vermutlich auf dem forebulge abgelagert wurde. 2\. Überlagert wird die Petaca Formation von der Yecua Formation. Sie besteht im nördlichen Teil des Chaco Vorlandbeckens aus bunten Tonstein, wechselgelagert mit dünnbankigem, grobkörnigem Sandstein; Skelettfragment- und Ooid-führendem Mergel und dünnbankigen Ton-Sandstein- Schichten. Diese Lithologien und Strukturen deuten auf eine küstennahe Umgebung hin, einschließlich Überschwemmungs-, Strand-, Tiden-, und flachmariner Fazies. Die Sandsteine der Yecua Formation sind sehr quarzreich und weisen eine Nord-nach-Süd gerichtete Transportrichtung aus einem kratonischem Liefergebiet auf. Im Süden des Subandin und des Chaco besteht die Yecua Formation aus mächtigen Tonsteinen und zwischengeschalteten Sandsteinen. Die Lithologien der Yecua Formation im Süden entsprechen einer Überschwemmungsfazies ohne Hinweis auf küstennahe Umgebung. Die Fazien im Norden und Süden deuten auf ein Ablagerungsmilieu in einem Feuchtgebiet hin, wahrscheinlich im distalen foredeep des Chaco Vorlandbeckens. 3\. Die Tariquia Formation, welche die Yecua Formation überlagert, besteht aus Sandsteinen und Tonsteinen, wobei der Anteil des Sandsteins deutlich überwiegt und ins stratigraphisch jüngere weiter zunimmt. Petrologische Untersuchungen der Sandsteine zeigen im Vergleich zur Petaca und Yecua Formation abnehmenden Quarzanteil auf, mit West-nach-Ost gerichteter Transportrichtung. Dadurch wird eine Veränderung des Liefergebietes von Kontinent- hin zu quarzreichem Orogen- Liefergebiet angedeutet. Die Ablagerung fand in der zentralen foredeep Zone statt. 4\. Die Guandacay Formation überlagert die Tariquia Formation und besteht vorwiegend aus mächtigen Sandsteinbänken und zwischengelagerten Tonsteinen. Die Sandsteinbänke enthalten einen signifikanten Anteil von Mittel- und Grobkies und zeigen eine deutliche, West-nach-Ost gerichtete Transportrichtung auf. Sedimentpetrologische Messungen weisen darauf hin, dass es sich um quarzreiche Sandsteine mit hohem Anteil an Gesteinsfragmenten und Feldspäten handelt. Das Liefergebiet der Guandacay Formation entspricht einem quarzreichem Orogen im proximal Teil des foredeep. 5\. Die jüngste Formation, die Emborozú Formation, ist aus mächtigen Konglomeratbänken (Grobkies bis Blöcke) und mächtigen Sandsteinbänken mit ostwärts gerichteter Transportrichtung aufgebaut. Petrologische Untersuchungen der Sandsteine deuten auf ein quarzarmes Gestein mit hohem Anteil von Feldspat und Gesteinsfragment. Als Liefergebiet gilt ein quarzreiches bis gesteinsfragment- reiches Orogen, dass in der wedge-top Zone ablagert wurde. Biostratigraphische Untersuchungen an Ostrakoden und Foraminiferen, welche im Norden des Untersuchungsgebietes in Tonsteinen und Mergeln der Yecua Formation abgelagert wurden, deuten ein flach-marines Milieu des mittleren bis spätem Miozän (14-7 Ma) an. Untersuchungen stabiler Isotope (Sauerstoff und Kohlenstoff) und Strontium-Isotope deuten allerdings an, dass die Schalen dieser Mikrofossilien von Frischwasser umgeben waren, welches aus kratonischem und andinen Flusssystemen gespeist wurde. Diese beiden widersprüchlichen Ergebnisse deuten einen Austausch von stabilen Isotopen der marinen Schalentiere an, das wiederum nur denkbar ist, wenn die marine Transgression sehr Kurzeit statt gefunden hat. Radiometrische und biostratigraphische Altersbestimmungen der känozoischen Sedimente aus dem Subandin und dem Chaco deuten eine diachrone Ablagerung der fünf hauptsächlich lithostratigraphisch definierten und oben beschriebenen Formationen an. Ihr Ablagerungsalter verjüngt sich nach Osten und Südosten. Das ostwärts gerichtete Fortschreiten der Deformationsfront und somit die nach Osten fortschreitenden Bildung des Falten- und Überschiebungsgürtel seit dem Oligozän spiegelt sich in den nach Osten jünger werdenden Formationen des Subandin und des Chacos wieder. Da die Bildung des internen Falten- und Überschiebungsgürtel im Norden (20° S) wesentlich früher einsetzte als im Süden (22° S), sind die Ablagerungsalter der fünf känozoischen Formationen im Subandin und im Chaco bei 22° S jünger als bei 20° S.