Exhumations- und Hebungsgeschichte der zentralen Anden in Südbolivien (21°S) durch Spaltspur-Thermochronologie an Apatit

Abstract

Die Entstehung des zentralandinen Altiplano-Puna-Plateaus am aktiven Kontinentalrand Südamerikas war mit Krustenverdoppelung und Oberflächenhebung um rund 4000 m im Tertiär verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wird mittels Spaltspur-Thermochronologie an Apatit die tertiäre Abkühlungs- und Exhumationsgeschichte der zentralen Anden in Südbolivien rekonstruiert, um die Hebungsprozesse während der Plateaubildung zu charakterisieren. Das Untersuchungsgebiet folgt einem Profil bei etwa 21°S in Südbolivien über das Plateau und die östliche Flanke der Anden. Das Plateau umfasst den rezenten magmatischen Bogen der Westkordillere, den Altiplano und die Ostkordillere. In der Westkordillere sind prätertiäre Gesteine von neogenen Vulkaniten bedeckt. Der Altiplano ist mit bis zu 7 km mächtigen tertiären Sedimenten gefüllt, und nur im stärker deformierten zentralen Teil sind paläozoische Einheiten aufgeschlossen. Die Ostkordillere stellt ein bivergentes Überschiebungssystem in ordovizischen Gesteinen dar. Im Osten schließt sich ein Vorland- Überschiebungsgürtel an (Interandin und Subandin). Paläogeothermische Gradienten von 19-32°C/km werden zur Übertragung der thermischen in räumliche Daten zugrunde gelegt. Apatit-Spaltspurdatierungen liegen von 30 Proben vorwiegend paläozoischer Sedimentgesteine vor. Die mittleren Spaltspurlängen betragen überwiegend 12-14 µm. Die scheinbaren Spaltspuralter innerhalb des Plateaus liegen zwischen 36 Ma und 20 Ma. Deutlich jüngere Abkühlalter kennzeichnen das Vorland-Überschiebungssystem mit 19-9 Ma im Interandin. Proben mit Mischaltern von 29 und 75 Ma im Subandin kühlten nach 8 Ma ab. Die früheste Exhumation im Untersuchungsgebiet fand ab dem Obereozän (ca. 42 Ma) in der zentralen Ostkordillere statt. Das mittlere Oligozän (33-27 Ma) ist durch eine regionale Ausweitung der Exhumation auf den Bereich des heutigen Plateaus gekennzeichnet. Spaltspurdaten von Basement-Geröllen deuten auf rasche Exhumation in den Liefergebieten des westlichen Altiplano oder der Westkordillere ab 32 Ma hin. Im zentralen Altiplano wurden paläozoische Gesteine entlang der ostvergenten Uyuni-Khenayani-Störungszone (UKFZ) ab 31 ± 2 Ma exhumiert. In der westlichen Ostkordillere setzte die Exhumation im frontalen und hinterlandwärtigen Teil des westvergenten Überschiebungssystems zwischen 32-27 Ma ein. In der östlichen Ostkordillere entsprechen die Spaltspurdaten über das Sama-Yunchará-Antiklinorium im rückgeformten Zustand der Basis einer fossilen partiellen Verheilungszone, die ab etwa 30 Ma durch Aktivität der interandinen Hauptüberschiebung exhumiert wurde. Exhumationsraten innerhalb des Plateaus waren im Zeitraum 30-20 Ma überwiegend niedrig (0.1-0.3 mm/a), und blieben bis zum Ende der Exhumation um 10 Ma im Mittel konstant. Eine Flächenbilanz zwischen tektonischer Krustenverdickung und Exhumation ergibt, dass die Ostkordillere vor ca. 10 Ma eine mittlere Höhe von mindestens 2800 m NN erreicht hatte. Im Vorland-Überschiebungssystem migrierte die Exhumation ab 18 Ma nach Osten und spiegelt deutlich eine ostwärts wandernde Deformationsfront wider. Ein starker Anstieg der Exhumationsraten von 0.4 mm/a auf über 0.7 mm/a während des Obermiozäns war vermutlich die Folge beschleunigter Verkürzung. Die während des mittleren Oligozäns plateauweit einsetzende, überwiegend initiale Exhumation deutet auf regional wirksame Hebungsprozesse hin. Die Bildung orogener Plateaus ist an eine rheologisch schwache Zone in der Kruste gebunden. Infolge der Ausbildung eines konvektiven Asthenosphärenkeiles entstand wahrscheinlich bereits im Oberoligozän die thermische Schwächung der Lithosphäre über die Breite des zukünftigen Plateaus. Die damit verbundene thermale Hebung, und in der Folge die verteilte Verkürzung der entfestigten Kruste bewirkten vermutlich den regionalen Exhumationsbeginn.

The Tertiary formation of the Altiplano-Puna plateau at the active continental margin of South America resulted in the doubling of the crust and surface uplift by about 4000 m. The aim of this study is to reconstruct the Tertiary cooling and exhumation history by apatite fission track thermochronology (AFT) and hence to characterise the processes which produced plateau uplift. The study area follows a transect at 21°S in Southern Bolivia across the plateau and the eastern flank of the Andes. The plateau comprises the recent volcanic arc of the Western Cordillera, the Altiplano and the Eastern Cordillera. In the Western Cordillera, pre-Tertiary rocks are covered beneath Neogene volcanics. The Altiplano represents an intramontane basin with up to 7 km thick Cenozoic continental sediment fill. Paleozoic units are exposed along a major fault zone in the central part. The Eastern Cordillera forms a bivergent thrust system in Ordovician sedimentary rocks. The plateau is bordered to the east by a foreland fold-thrust belt (Interandean and Subandean). Paleo- geothermal gradients of 19-32 °C/km are assumed in order to interpret the AFT- data in the spatial frame of reference. Apatite fission track results are obtained from 30 sedimentary rock samples of mainly Paleozoic age. The majority of samples have mean track lengths between 12 µm and 14 µm. Apparent ages in the plateau range from 36 Ma to 20 Ma, with a maximum around 30 Ma in the middle Oligocene. Significantly younger cooling ages with 19-9 Ma are obtained in the foreland thrust belt. Samples with mixed ages of 29 Ma and 75 Ma in the Subandean cooled after 8 Ma. The earliest exhumational cooling occurred in the central part of the Eastern Cordillera since the late Eocene (ca. 42 Ma). The middle Oligocene (33-27 Ma) was characterised by a broad onset of exhumation, distributed across the future plateau region. AFT-data from basement pebbles suggest rapid exhumation in the source areas of the western Altiplano or Western Cordillera since 32 Ma. In the central Altiplano, Paleozoic rocks were exhumed along the east-vergent Uyuni-Khenayani fault zone, starting from 31 ± 2 Ma. In the western part of the Eastern Cordillera, exhumation initiated in the frontal and inner parts of the west-vergent thrust system between 32 Ma and 27 Ma. In the east-vergent Sama-Yunchará anticlinal structure (SYA), the AFT-data presumably correspond to the base of a fossil partial annealing zone in the restored situation of the SYA. By incipient movement of the Interandean Thrust around 30 Ma, this partial annealing zone was exhumed as a block. Exhumation rates within the plateau were predominantly low with 0.1-0.3 mm/a during the time span 30-20 Ma and, on average, remained constant until the end of exhumation around 10 Ma. A rough cross-sectional mass balance between tectonic crustal thickening and exhumation suggests that the Eastern Cordillera had reached a mean elevation of at least 2800 m at the end of upper crustal deformation by 10 Ma. In the foreland thrust belt, exhumation migrated to the east since about 18 Ma and clearly reflects the eastward propagation of deformation. A strong increase of exhumation rates from 0.4 mm/a to >0.7 mm/a during the late Miocene corresponds with an acceleration of shortening rates. The plateau-wide and mostly initial exhumation in the middle Oligocene requires regional uplift during the early stage of plateau evolution. A pre-requisite for the formation of orogenic plateaus is a rheologically weak zone in the crust. The emplacement of a convective asthenospheric wedge in Oligocene times thermally weakened the lithosphere across the width of the future plateau. Consequent thermal uplift and distributed shortening of the weakened crust may have effected the regional onset of exhumation.