Teleseismic tomographic images of the Central Andes at 21°S and 25.5°S: an inside look at the Altiplano and Puna plateaus

Abstract

A set of 59 seismological stations was deployed in the Central Andes region at 21°S (Chile-Bolivia) along a profile ~600 km long and were operated between 2002 and 2004. The teleseismic tomographic images (from P- and S- waves) show low-velocity anomalies that are interpreted as the effects of melting or fluids at both flanks of the Altiplano plateau. Beneath the Central Volcanic Zone (CVZ) a low-velocity anomaly is interpreted to be caused by fluids that are the origin of the volcanic material from the CVZ. A low-velocity anomaly in the upper crust is interpreted as the Altiplano Low-Velocity Zone that appears to extend as far to the east as the Eastern Cordillera. A high- velocity body between 100 km and 150 km depth is interpreted as being part of the old cold lithosphere that detached from the base of the crust. The Brazilian Shield is thought to be responsible for the strong high-velocity anomaly on the eastern side of the Central Andes. In addition, another set of 19 stations was deployed in the southern Argentine Puna along a profile ~200 km long and were run over the same period of time (2002-2004). The intention was to study the crustal thickness at 25.5°S, where delamination of the lithosphere was proposed to explain the higher elevation of the Puna plateau. Beneath the plateau a negative velocity anomaly is observed and interpreted here as being the location of fluid transfer between the deeper and shallower portions of the crust, that emanate from the Benioff zone at depths of ~200 km. This anomaly clearly divides in two branches: one to the west towards the volcanic arc (CVZ) and the other to the east where the back-arc volcanoes are located. On their way to lower depths, the fluid paths are probably influenced by the presence of nearby isotherms. The bifurcation of the ascending path could be related to the presence of the lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) at ~100-130 km. Based on our observations, the type and form of the anomaly, it is possible to propose the presence of a return-flow type model for fluid ascent in contraposition to the assumed corner-flow model usually proposed for the Andes. The fluids that cause the seismic anomalies beneath the Puna plateau are generated at deeper levels in the asthenosphere and ascend parallel to the oceanic slab in the manner of a return-flow. In the crust and beneath the Salar de Antofalla (SA), a high-velocity block with seismic activity is interpreted as part of the old and cold Palaeozoic magmatic arc (Faja Eruptiva de la Puna Occidental). The presence of this block is may be responsible for the distribution of volcanic activity localized at both sides of this anomaly. Eastern of the SA, it is possible to recognize a zone with low-velocities beneath the Galan volcano. A sharp limit imposed by high velocities, probably related to metamorphic rocks from the Paleozoic basement (Tacuil and Luracatao ranges) can be detected on the east of the profile. A high-velocity block with seismic activity is located in the crust beneath the Salar de Antofalla (SA) and interpreted as part of the old and cold Palaeozoic magmatic arc (Faja Eruptiva de la Puna Occidental). This block might be responsible for the distribution of volcanic activity localized at both sides of this anomaly. Beneath the Galan volcano and east of the SA, a zone with low-velocities can be recognized. A sharp limit towards high- velocities can be observed on the east of the profile, probably related to metamorphic rocks from the Palaeozoic basement (Tacuil and Luracatao ranges).

Im Bereich der Zentralen Anden zwischen 2002 und 2004 wurden 59 seismologische Stationen betrieben, welche bei 21°S (Chile-Bolivien) entlang eines ~600 km langen Profils aufgestellt wurden. Die teleseismische tomographischen Bilder entlang des untersuchten Profils (von P- und S-Wellen) zeigen erniedrigte Geschwindigkeitsanomalien, welche in Form von Schmelz- oder Flüssigkeitsvorkommen an beiden Flanken des Altiplano Plateaus/Hochland interpretiert worden. Eine geringe Geschwindigkeitsanomalie unterhalb der Zentralen Vulkanischen Zone (CVZ), wird als Fluide interpretiert, die in Zusammenhang mit dem vulkanischen Materials der CVZ stehen. Eine Anomalie mit erniedrigter Geschwindigkeit innerhalb der oberen Kruste wird als die Altiplano Low Velocity Zone (ALVZ) interpretiert, die sich bis hin zur östlichen Kordilliera zieht. Ein Bereich erhöhter Geschwindigkeit zwischen 100 und 150km Tiefe, wird als Teil der alten und kalten Lithosphäre angesehen, die sich von der Basis der Kruste getrennt hat. Eine stark erhöhte Geschwindigkeitsanomalie im östlichen Teil der Zentralen Anden wird dem brasilianischen Schild zugeschrieben. Im gleichen Zeitraum (2002-2004), wurden weitere 19 Stationen entlang eines ~200km langen Profil im Süden der argentinischen Puna betrieben. Das Ziel dieses Profils war die Krustendicke bei 25.5°S zu bestimmen wo die deutliche Heraushebung des Puna Plateaus mit der Delamination der Lithosphäre erklärt wird. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit zeigt eine negative Geschwindigkeitsanomalie unterhalb des Puna Plateaus an, für die ein Fluidtransport zwischen dem tieferen und flacheren Bereich der Kruste verantwortlich gemacht wird, welcher von der Benioff Zone in einer Tiefe von ~200km ausgeht. Diese Anomalie trennt sich deutlich in zwei Bereiche auf: der eine Ast verläuft westlich in Richtung des vulkanischen Bogens (CVZ) während der andere in östlicher Richtung zu den back-arc Vulkanen verläuft. Bei dem Aufstieg der Fluide in flachere Bereiche der Kruste werden die Wege wahrscheinlich durch in der Nähe vorkommende höher Temperaturen beeinflusst (e.g. 1400°C). Die Verzweigung des Aufstiegpfades kann in Verbindung mit der Grenze zwischen der Lithosphäre und der Astenosphäre (LAB) bei ~100 bis 130km gebracht werden. Allerdings liegen die Ergebnisse der seismischen Stationen oberhalb der LAB in den südlichen Zentralen Anden zurzeit noch nicht vor. Aufgrund unserer Beobachtungen, des Typ und der Form der Anomalie liegt es nahe für die aufsteigende Fluide einen return-flow anzunehmen. Diese Interpretation steht im Widerspruch zu den für die Anden üblicherweise vorgeschlagenen corner-flow . Die für die Anomalien in der Puna verantwortlichen Fluide werden wahrscheinlich in tieferen Bereichen der Asthenosphäre gebildet und steigen als return-flow parallel zur ozeanischen Platte auf. Unterhalb des Salar de Antofalla (SA) ist im Bereich der kontinentalen Kruste ein Block mit erhöhter Geschwindigkeit und seismischer Aktivität zu beobachten, der als Teil des alten und kalten paläozoischen magmatischen Bogens (Faja Eruptiva de la Puna Occidental) interpretiert wird. Dieser Block ist möglicherweise für die Verteilung der vulkanischen Aktivität auf beiden Seiten der Anomalie verantwortlich. Östlich vom SA ist unterhalb des Vulkans Galan eine Zone erniedrigter Geschwindigkeiten zu beobachten, während erhöhte Geschwindigkeiten im Osten des Puna Plateaus in Verbindung mit den metamorphen Gesteinen des paläozoischen Basements (Tacuil und Luracatao Kette) gebracht werden.