Kinematic partitioning of deformation in the Southern Andes inferred from remote sensing, thermochronology, scaled analogue modelling, and field observations

Abstract

Upper-plate deformation along the Southern Andean obliquely convergent plate margin is perceived to be kinematically partitioned into margin-normal shortening accommodated in the forearc and margin-parallel strike-slip in the arc-region. Here, margin-parallel strike-slip is mainly attributed to the margin-parallel Liquiñe-Ofqui fault zone (LOFZ) which is interpreted to northwardly displace a portion of the forearc. In light of recent studies providing evidence for intra-arc displacement on, notably, margin oblique faults, this thesis revisits deformation and kinematic partitioning in the Southern Andes with an integrated approach involving remote sensing, reassessment of exhumation rates, analogue modelling, and field-based study of dikes. Morphological lineaments extracted from digital elevation models of the Southern Andes, corroborated by mapped faults provide evidence for distributed deformation in the Southern Andes on a network of predominately NW-, NE-, and N-S-striking faults. Exhumation rates, calculated from published apatite fission track and (U-Th)/He ages, show Miocene to Pliocene maximal exhumation in the central portion of the Southern Andes. Changes in exhumation rate across extracted lineaments indicate vertical offset along first-order margin-parallel and -oblique faults. Contrary to pure strike-slip attributed to the Southern Andes, these observations provide evidence for distributed transpressive deformation with the maximal vertical extrusion of rocks in the arc-region. Analogue models simulating deformation in the Southern Andes indicate an evolution in intra-arc deformation in an early phase defined by reverse faults oriented perpendicular to the convergence vector and a late phase characterized by reverse displacement on margin-parallel faults. In contrast to proposed northward translation of a rigid forearc-portion along the LOFZ, model results corroborated by fault-slip data provide evidence for northward displacement of crust on an intra-arc dextral transpressive zone involving clockwise rotation of upper crust, sinistral-reverse displacement on WNW-striking faults, and reverse displacement on N-S-striking faults. Trace-element ratios of Pliocene to Pleistocene dikes located at the northern terminus of the LOFZ are consistent with proposed late Miocene to Pliocene slab-steepening and resulting crustal extension along the eastern flank of the Southern Andes. Conversely, roughly E-W-oriented maximum compressive stress-axes (σ1H) inferred from dike trends, consistent with arc-orthogonal compression, indicate that Miocene to Pliocene changes in the subduction geometry did not result in a reorientation of σ1H-axes.

Die Deformation entlang des schief konvergenten Kontinentalrandes der Südanden wird als kinematisch partitioniert beschrieben. Hier soll kontinentalrand-orthogonale Einengung im Forearc-Bereich und Kontinentalrand-parallele Horizontalverschiebung hauptsächlich durch die Liquiñe-Ofqui Störungszone (englisch Liquiñe-Ofqui fault zone, kurz LOFZ) aufgenommen werden, welche einen Teil des Forearc in nördlicher Richtung verschieben soll. Neueste Forschungsergebnisse liefern hingegen Hinweise auf Horizontalverschiebung innerhalb des vulkanischen Bogens entlang von Störungen mit schiefer Ausrichtung zum Kontinentalrand. In Anbetracht dieser Ergebnisse, ist das Ziel dieser Arbeit die erneute Untersuchung der kinematischen Partitionierung der Deformation in den Südanden mit Hilfe von Fernerkundung, Neubewertung von Exhumierungsraten, Analogmodellierung und der Untersuchung von magmatischen Gängen. Morphologische Lineamente, die auf digitalen Höhenmodellen der Südanden identifiziert und durch kartierte Störungen bestätigt werden, liefern Hinweise auf verteilte Deformation in den Südanden entlang eines Netzwerkes aus NW- NE- und N-S-streichenden Störungen. Aus publizierten Apatit fission track- und (U/Th)/He-Altern errechnete Exhumierungsraten zeigen eine maximale miozäne bis pliozäne Exhumierung im Zentrum der Südanden. Veränderungen der Exhumierungsrate über identifizierte Lineamente deuten hier auf einen vertikalen Versatz entlang von Störungen erster Ordnung mit Kontinentalrand-paralleler und schiefer Orientierung zum Kontinentalrand hin. Im Gegensatz zu reiner Horizontalverschiebung innerhalb der Südanden liefern diese Ergebnisse Hinweise auf eine verteilte, transpressive Deformation des magmatischen Bogens. Simulationen der Deformation in den Südanden mittels skalierter Analogmodelle zeigen die Entwicklung von Deformation innerhalb des magmatischen Bogens von einer initialen Phase, definiert durch Aufschiebungen mit einer orthogonalen Ausrichtung zum Konvergenzvektor, zu einer späten Phase, charakterisiert durch kontinentalrand-parallele Aufschiebungen. Entgegen der verbreiteten Annahme von nordwärts gerichteter Translation eines rigiden Forearc-Teils entlang der LOFZ, liefern Ergebnisse der Analogmodelle, unterstützt von Störungsflächen-Analysen, Hinweise auf eine nordwertige Verschiebung von Erdkruste entlang einer dextralen transpressiven Zone mit Hilfe der Rotation von Erdkruste im Uhrzeigersinn, WNW-streichenden sinistralen schiefen Aufschiebungen und N-S-streichenden Aufschiebungen. Spurenelement-Verhältnisse pliozäner bis pleistozäner magmatischer Gänge am nördlichen Ende der LOFZ stimmen mit einer angenommenen miozänen bis pliozänen Steigerung des Winkels der subduzierten Platte und der daraus resultierenden Extension der Oberkruste überein. Eine circa E-W-orientierte Achse der maximalen horizontalen Hauptspannung (σ1H), abgeleitet von der Orientierung magmatischer Gänge weist hingegen auf eine Kompression orthogonal zum magmatischen Bogen hin. Folglich haben miozäne bis pliozäne Änderungen der Subduktionszonen-Geometrie nicht zu einer Reorientierung der σ1H-Achse geführt.