Heinrich Bahlburg

Paleozoic evolution of active margin basins in the southern Central Andes (northwestern Argentina and northern Chile)

Abstract The geodynamic evolution of the Paleozoic continental margin of Gondwana in the region of the southern Central Andes is characterized by the westward progression of orogenic basin formation through time. The Ordovician basin in the northwest Argentinian Cordillera Oriental and Puna originated as an Early Ordovician back-arc basin. The contemporaneous magmatic arc of an east-dipping subduction zone was presumably located in northern Chile. In the back-arc basin, a ca. 3500 meter, fining-up volcaniclastic apron connected to the arc formed during the Arenigian. Increased subsidence in the late Arenigian allowed for the accomodation of large volumes of volcaniclastic turbidites during the Middle Ordovician. Subsidence and sedimentation were caused by the onset of collision between the para-autochthonous Arequipa Massif Terrane (AMT) and the South American margin at the Arenigian-Llanvirnian transition. This led to eastward thrusting of the arc complex over its back-arc basin and, consequently, to its transformation into a marine foreland basin. As a result of thrusting in the west, a flexural bulge formed in the east, leading to uplift and emergence of the Cordillera Oriental shelf during the Guandacol Event at the Arenigian-Llanvirnian transition. The basin fill was folded during the terminal collision of the AMT during the Ocloyic Orogeny (Ashgillian). The folded strata were intruded post-tectonically by the presumably Silurian granitoids of the “Faja Eruptiva de la Puna Oriental.” The orogeny led to the formation of the positive area of the Arco Puneno. West of the Arco Puneno, a further marine basin developed during the Early Devonian, the eastern shelf of which occupied the area of the Cordillera Occidental, Depresion Preandina, and Precordillera. The corresponding deep marine turbidite basin was located in the region of the Cordillera de la Costa. Deposition continued until the basin fill was folded in the early Late Carboniferous Toco Orogeny. The basin originated as an extensional structure at the continental margin of Gondwana. Independent lines of evidence imply that basin evolution was not connected to subduction. Thus, the basin could not have been in a fore-arc position as previously postulated. Above the folded Devonian-Early Carboniferous strata, a continental volcanic arc developed from the Late Carboniferous to the Middle Triassic. It represents the link between the Choiyoi Province in central Chile and Argentina, and the Mitu Group rift in southern Peru. The volcanic arc succession is characterized by the prevalence of silicic lavas and tuffs and volcaniclastic sedimentary rocks. During the latest Carboniferous, a thick ostracod-bearing lacustrine unit formed in an extended lake in the area of the Depresion Preandina. This lake basin originated in an intra-arc tensional setting. During the Early Permian, marine limestones were deposited on a marine platform west and east of the volcanic arc, connected to the depositional area of the Copacabana Formation in southern Peru.

Paleozoic volcanic events in the Central Andes

Abstract Paleozoic volcanic rocks of northern Chile (21–27°S) can be subdivided into Early Ordovician, Early Carboniferous, and Late Carboniferous to Triassic episodes. At the western and eastern margin of the Alta Cordillera and in the Chilean Precordillera, isolated outcrops of Early Ordovician submarine basic lavas and siliceous volcanic apron deposits occur (submarine deposition level

Paleozoic basin development in northern Chile (21°–27°S)

ZusammenfassungDie ältesten, nicht-metamorphen Sedimente Nordchiles (21‡–27‡S) sind aus dem Unterordovizium bekannt. Der zum Teil vulkanische Einflu\ in den klastischen Serien der Präkordillere und der Puna könnte mit dem ausgedehnten ordovizischen Magmatismus am Ostrand der argentinischen Puna in Zusammenhang stehen. Der geochemische Charakter der tholeiitischen Einschaltungen in den Peliten und Turbiditen des »Complejo Igneo-Sedimentario del Cordon de Lila« (C.I.S.L.) der präandinen Depression lä\t auf eine ?unterordovizische Dehnungszone schlie\en.Während der folgenden orogenen Phase (»Fase Oclóyica«) entstand ein Hochgebiet (»Arco Puneno«), das sich vermutlich über die gesamte Breite der heutigen westlichen Zentralanden erstreckte. Dies dürfte der Grund für das Fehlen silurischer Schichten in Nordchile sein.Während des Devon/Karbons entwickelten sich zwei parallele N-S-gerichtete marine Ablagerungsräume. In der Küstenkordillere kam es zu longitudinaler Schüttung mächtiger Flyschserien. Im Gebiet der heutigen präandinen Depression und der Hochkordillere lagerten sich mächtige unterdevonische bis mindestens unterkarbone Sandsteinserien auf dem westlichen Schelf des Arco Puneño ab.Als Folge der karbonen Tektonik entstand im Westen eine flachmarine Plattform, auf der während des Oberkarbon-Perm Klastite, Kalke und Vulkanite abgelagert wurden. Gleichzeitig fand im Gebiet der heutigen Prä- und Hochkordillere ein ausgedehnter Vulkanismus statt, der von vorwiegend terrestrischer Sedimentation begleitet wurde.In den zentralen Anden fand im Paläozoikum eine generelle Westmigration der orogenen Zonen satt, einhergehend mit wiederholten »rifting«- und Akkretionsphasen. Scit dem Zerbrechen von Pangäa überwiegt ostgerichtete erosive Subduktion.AbstractThe oldest non-metamorphic sediments of northern Chile (21‡–27‡S) are of Early Ordovician age. The partly strong volcanic influence in the clastic series of the Pre-Cordillera and the Puna might be connected with the extensive Ordovician magmatism on the eastern side of the Argentinian Puna. The geochemical character of the tholeiitic intercalations in the pelites and turbidites of the »Complejo Igneo-Sedimentario del Cordon de Lila« (C.I.S.L.) in the Pre-Andean Depression indicates a ?Lower Ordovician extensional regime in this area.A positive area (»Arco Puneño«) encompassing the whole width of the present-day western Central Andes developed during the subsequent orogenic phase (»Fase Oclóyica«), resulting in the absence of Silurian strata in Northern Chile.During the Devonian/Carboniferous, two areas of marine facies can be distinguished. In the Coastal Cordillera thick flysch sediments were deposited longitudinally in a N-S striking trough. In the east, in what is now the Pre-Andean Depression and High Cordillera, thick sandstone series accumulated on the western shelf of the Arco Puneno.Carboniferous tectonic movements led to the formation of a shallow marine platform in the west on which clastic sediments, limestones and volcanics were deposited during the Upper Carboniferous-Permian. Simultaneously, extensive volcanism developed in the Pre- and High Cordillera accompanied by predominantly terrestrial sedimentation.A general westward migration of the orogenic zones took place along with repeated phases of rifting and accretion in the Central Andes during the Paleozoic. Eastward directed erosive subduction prevailed since the breakup of Pangea.ResumenLos sedimentos no-metamórficos más antiguos en el norte de Chile (21‡–27‡S) son del Ordovícico inferior. La, a veces fuerte, influencia volcánica en las series clásticas en la Precordillera y la Puna estaría relacionada con la actividad magmática, que se observa en el borde oriental de la Puna argentina. El carácter toleítico de las intercalaciones volcánicas en las pelitas y turbiditas del Complejo Igneo-Sedimentario del Cordón de Lila (C.I.S.L.) en la Depresión Preandina permite deducir la existencia de una zona de distensión en el Ordovícico ?inferior.Como resultado de los movimientos orogénicos oclóyicos, en la parte occidental de los Andes Centrales actuales, se formó un área de emersión (Arco Puneño), lo cual sería la causa de la ausencia de depósitos silÚricos en el norte de Chile.Durante el Devónico/Carbonífero dos paralelas áreas marinas de depósito de orientación norte-sur se formaron. En la región de la Cordillera de la Costa series potentes de flysch se depositaron longitudinalmente. En el área de la actual Depresión Preandina y la Alta Cordillera se formaron series potentes de areniscas en la plataforma occidental del Arco Puneño.Como consecuencia de los movimientos tectónicos carboníferos en el oeste se formó una plataforma marina de aguas someras, en la cual clastitas, calizas y volcanitas se depositaron durante el Carboniíero superior-Pérmico. Al mismo tiempo un volcanismo extensivo ocurrió en la actual Prey Alta Cordillera, el cual estaba acompañado por una sedimentación predominantemente terrestre.En los Andes Centrales, en el transcurso del Paleozoico, se produjo una migración general de las zonas orogénicas hacia el oeste, acompañada por fases repetidas de »rifting« y acreción. Desde la destrucción de Pangea se efectÚa una subducción predominantemente erosiva inclinada hacia el este.кРАткОЕ сОДЕРжАНИЕДРЕВНЕИшИЕ НЕМЕтАМО РФИжИРОВАННыЕ сЕДИМ ЕНты В сЕВЕРНОИ ЧАстИ ЧИлЕ (21‡ –27‡ УжНОИ шИРОты) ИМЕУт ВОжРАст НИжНЕг О ОРДОВИкА. ЧАстИЧНОЕ ВУлкАНИЧЕскОЕ ВлИьНИЕ НА клАстИЧЕс кИЕ сЕРИИ пРЕкОРДИль ЕР И пУНА МОжНО сВьжАть с ОБшИРНыМ МАгМАтИжМО М ОРДОВИцкОгО ВОжРАст А, ИМЕВшИМ МЕстО НА ВОс тОЧНОИ ЧАстИ АРгЕНтИНскОгО пУНА. гЕОхИМИЧЕскИЕ хАРАктЕРИстИкИ тОлЕ ИИтОВых ВклУЧЕНИИ В п ЕлИты И тУРБИДИты “sompleijo igneo-sedimentarion del Cordon de Lila (C. I. S. L.) В пРЕАНДскОИ ДЕпР ЕссИИ РАжРЕшАЕт УтВЕРжДАть О НАлИЧИЕ жОНы РАстьжЕНИь В НИж НЕМ ОРДОВИкЕ.ВО ВРЕМь пОслЕДУУЩЕИ ФАжы ОРОгЕНЕжА (“Fase Ocloyica”) ОБРАжОВАлОсь ВысОкО гОРьЕ — “Arco Puneno” -, пРОстИРАУЩЕЕсь, ВЕРО ьтНО, ЧЕРЕж ВсУ шИРИНУ сЕгОДНьшНЕИ жАпАДНОИ цЕНтРАльНО И ЧАстИ стРАНы. ВОжМОжНО В РЕжУльтАт Е ЁтОгО сВИты сИлУРИИ скОгО ВОжРАстА В сЕВЕРНОМ Ч ИлЕ ОтсУтстВУУт. В пЕРИОД ДЕВОНА/кАРБО НА ОБРАжОВАлИсь ДВЕ О БлАстИ ОтлОжЕНИь, пАРАллЕль НО пРОстИРАУЩИЕсь В N-S НАпРАВлЕНИИ.В пРИБРЕжНых кОРДИль ЕРАх пОьВИлИсь МОЩНыЕ ОтлОжЕНИь ФлИ шА. В ОБлАстИ сЕгОДНьш НЕИ пРЕАНДскОИ ДЕпРЕссИ И И ВысОкИх кОРДИльЕР, НА жАпАДНОМ шЕльФЕ АrcО Puneno пРОИсхОДИ лО ОтлОжЕНИЕ МОЩНых сЕРИИ НИжНЕДЕ ВОНскИх ДО, пО-кРАИНЕИ МЕРЕ, НИжНЕ-кАРБОНОВы х пЕсЧАНИкОВ.В РЕжУльтАтЕ тЕктОНИ ЧЕскИх пРОцЕссОВ В кАМЕННОУгОльНОМ пЕРИОДЕ НА жАпАДЕ ВОж НИклА МЕлкОВОДНАь МОРскАь плАтФОРМА, НА кОтОРОИ В ВЕРхНЕМ кАР БОНЕ И В пЕРМИ пРОИсхОДИлО О тлОжЕНИЕ клАстИтОВ, И жВЕстНькОВ И ВУлкАНИЧЕскИх пОРО Д. ОДНОВРЕМЕННО В РАИО НЕ сЕгОДНьшНИх пРЕкОРД ИльЕР И ВысОкИх кОРДИ льЕР ИМЕл МЕстО ОБшИРНыИ В УлкАНИжМ, сОпРОВОжДА ЕМыИ глАВНыМ ОБРАжОМ ОтлО жЕНИЕМ МОРскИх ОсАДкОВ.В цЕНтРАльНых АНДАх В пАлЕОжОЕ ИМЕлА МЕстО МИгРАцИь жОН ОРОгЕНЕжА НА жАпА Д, с пОВтОРьЩИМИсь ФАж АМИ АккРЕцИИ И “rifting”. с МОМЕН тА РАспАДА пАРгЕИ стА лО пРОьВльтьсь жАсАсыВ АНИЕ, НАпРАВлЕННОЕ НА ВОстОк И пРИВЕДшЕЕ к пРОцЕссА М ЁРОжИИ.

Palaeozoic flysch series in the Coastal Cordillera of Northern Chile

ZusammenfassungDie Formación El Toco ist der nördlichste Aufschluß einer Kette von Vorkommen paläozoischer rhythmischer Klastite in der nordchilenischen Küstenkordillere. Diese Formation (21°15′–22°15′S), deren spärliche Flora vorbehaltlich dem Oberdevon zuzuordnen ist, wird diskordant von unterjurassischen Vulkaniten (Fm. La Negra) überlagert —das Liegende ist nicht aufgeschlossen. Variszische heteromorphe Deformation führte zu vorherrschend NW-streichender Faltung, die meist starke SW-Vergenz zeigt. Lokal tritt eine scharfe Verfaltung im 0,1 bis 30 m-Bereich hinzu, die sowohl synsedimentär-gravitative als auch frühtektonische Deformationsmerkmale zeigt.Die mindestens 2300 m mächtige Serie ist ein proximaler Flysch mit z. T. kiesführenden Turbiditen, in die nichtturbiditische feinkörnige Partien eingeschaltet sind. Die unvollständigen BOUMA-Sequenzen beginnen häufig mit einer aus grauen bis grünen unreifen und schlechtsortierten Grobsandsteinen bestehenden A-Division von bis zu 6 m Mächtigkeit, die isolierte Quarz- und Pelitklasten enthalten kann.Flute cast- und Foreset-Messungen weisen auf Paläoströmungsrichtungen aus NW und NNO hin. Zusammen mit petrographischen Analysen läßt sich daraus ein südwärts gerichteter Transport von schwachmetamorphsedimentärem und magmatischem Detritus in ein oberdevonisches nicht-vulkanisches Becken ableiten.AbstractA discontinuous outcrop of Palaeozoic rhythmic clastites appears in the North Chilean Coastal Cordillera. The Formación El Toco (21°15′–22°15′S) whose scarce flora points to a presumably Upper Devonian age forms the northernmost part of the outcrop. It is discordantly overlain by Lower Jurassic volcanics (Fm. La Negra), its base, however, is not exposed. Hercynian heteromorphous deformation led to predominantly NW trending folds strongly inclined mostly to the SW. Chevron-like folds of 0.1 to 30 m occur locally and seem to display properties transitional between synsedimentary-gravitational and early tectonic deformation.The series which is at least 2300 m thick consists of proximal, in parts pebbly turbidites with non-turbiditic finegrained intercalations. Incomplete BOUMA-sequences frequently begin with A-beds of grey to green immature, badly sorted coarse sandstones of up to 6 m thickness containing isolated quartz- and pelite-clasts.Measurements of flute casts and f oresets show palaeocurrents which came from NW and NNE. Along with petrographic observations they indicate southward directed transport of detritus from low metamorphic sedimentary and magmatic source areas into an Upper Devonian nonvolcanic basin.RésuménRitmitas clásticas de edad paleozoica forman afloramientos discontinuos en la Cordillera de la Costa del Norte de Chile. La Formación El Toco (21°15′–22°15′S), que contiene una flora escasa de probable edad Devónico Superior, constituye la parte más septentrional de estos afloramientos. La base no se conoce, mientras que el techo infrayace discordantemente a volcanitas jurásicas inferiores (Fm. La Negra). Deformaciones hercínicas heteromórficas llevan a la formación de pliegues orientados predominantemente al NW inclinados fuertemente al SW. Localmente aparecen pliegues en forma de chevron de un tamano de 0.1 a 30 m que muestran caracteristicas de deformación transicional entre sinsedimentana-gravitativa y tectónica temprana.La serie que tiene una potencia de por lo menos 2300 m consiste en turbiditas proximales parcialmente con gravas e intercalaciones finas no-turbidíticas. Secuencias incompletas de BOUMA empiezan frecuentemente con capas de la division A (espesor maximo 6 m) los cuales se componen con frecuencia de areniscas gruesas gris-verdes, composicionalmente inmaduras y mal seleccionadas, con clastos aislados de cuarzo y pelita.Medidas de ‘flute casts’ y ‘foresets’ muestran paleocorrientes provenientes de NW y NNE. Junto con observaciones petrográficas, las paleocorrientes indican un transporte de material detrítico, originado de áreas con rocas sedimentarias, metamórficas de bajo grado e ígneas, dirigido al sur hacia una cuenca no volcánica de edad Devónico Superior.Краткое содержаниеФормация Эль-Токо сос тоит из палеозойских, ритмичных отложений кластичес ких седиментов и зале гает в северо-чилийских пр ибрежных Кордильера х. В этой формации (21°15′ - 22°15′ Ю) найдены незначител ьные остатки флоры, котору ю относят по возрасту к верхнему д евону; однако эти отло жения перекрыты несогласн о нижне-юрскими отлож ениями вулканитов (формация Ла-Негра). Гетероморфн ая деформация. варисско го возраста создала складчатость, простирающуюся гл. об р. в NW направлении, чаще всего с сильной в ергенцией на SW. Местами отмечается резкая ск ладчатость масштаба от 0,1 до 30 м, проявляющая, как синседиментно-грави тационные, так и ранне-тектониче ские признаки деформ ации. Отложениямощностью примерно в 2300 м являются проксимальным флише м с турбидитами, части чно вмещающими гальку и с одержащие также мелк озернистые седименты не турбиди тного происхождения. Неполные циклы БУМА н ачинаются обычно серыми до зеленых пло хо отсортированными грубозернистыми песчаниками отдела А мощностью до б м, содержащего отдель ные обломки кварца и п елита. Измеренияотпечатков выемок и п ередних слоев дельты указывают на т о, что направление пал еопотоков шло с NW нa NNE. Учитывая данн ые петрографическог о анализа, можно заключ ить, что направление переноса слабо метам орфизированного оса дочного и магматического мат ериала в верхнедевон ский невулканический бас сейн шло к югу от места сноса.

Geodynamic Evolution of the Early Palaeozoic Continental Margin of Gondwana in the Southern Central Andes of Northwestern Argentina and Northern Chile

The oldest non-metamorphic rocks of the southern Central Andes (NW Argentina and N Chile) are represented by the quartz-sandstone succession of the late Cambrian Meson Group exposed in the Eastern Cordillera. The Meson Group formed on a shallow marine platform deepening towards the NW. This platform developed presumably as an extensional structure on Pampean basement. Above an erosional unconformity of late Cambrian age, the shallow marine sandstones and shales of the Santa Victoria group (latest Cambrian-early Llanvirn) were deposited in a shelf basin located in the Eastern Cordillera. Farther west in the Puna volcanosedimentary successions (VS, c. 3500 m thick) derived from a magmatic arc located in northern Chile, are connected to eastward subduction and active volcanism during the middle and late Arenig. During the middle Ordovician, the Puna Basin deepened significantly leading to the deposition of the Puna turbidite complex (PTC, c. 3500 m thick). High subsidence and sedimentation rates were caused by the onset of collision of the para-autochthonous Arequipa Massif terrane (AMT), transforming the Arenig ensialic backarc basin into a middle Ordovician marine foreland basin. In response to thrusting in the west, a flexural bulge formed in the east, resulting in the emergence of the Eastern Cordillera shelf (Guandacol event). During the Ashgill, the basin fill was folded in the Ocloyic orogeny, resulting in the formation of the positive area of the Arco Puneno, which since suffered only marginal transgressions in the Llandovery and the late Palaeozoic. The folded Ordovician sedimentary rocks were post-tectonically intruded by the presumably Silurian, partly sheared granitoids of the “Faja Eruptiva de la Puna Oriental” (FE). The shear zones in the FE granitoids document sinistral strike-slip movements of possible Silurian age. Magmatism and the strike-slip system were connected to the probably oblique, SE directed collision of the AMT.

Die frühe Erde und der Beginn des Lebens

Wir erfreuen uns heute der prachtigen Pflanzen- und Tierwelt, die unseren Lebensraum Erde charakterisiert und deren Teil wir sind. Die Mechanismen der Evolution sind heute recht gut bekannt. Der eigentliche Ursprung des Lebens ist jedoch unserer direkten Betrachtung weitgehend entzogen, da er in den fruhen, archaischen Zeiten der Erde liegt. Aussagen sind uns nur durch Untersuchungen der sparlich uberlieferten prakambrischen Sedimentgesteine und durch auf diese gegrundete theoretische Uberlegungen moglich. Grundlage auch der Erforschung und Beschreibung der archaischen Erde ist der Aktualismus. Es gibt keinen Grund anzunehmen, dass die physikalischen und chemischen Naturgesetze damals nicht galten. Und dennoch waren Lithosphare, Atmosphare und Hydrosphare im Archaikum sehr viel anders beschaffen als heute (vgl. Kap. 14). Die fruhprakambrischen Sedimentgesteine sind, soweit wir heute wissen, im Meer abgelagert worden. Die ersten uns bekannten Lebewesen, die in ihnen gefunden wurden, sind einzellige Bakterien.

Die Lithosphäre im Verlauf der Erdgeschichte

Seit die Plattentektonik „funktioniert“, gab es zu jedem Zeitpunkt irgendwo auf der Erde konvergente Plattenrander und Transform-Plattengrenzen, in deren Bereich Storungstektonik, Faltung, Magmatismus und Metamorphose stattfanden. Abb. 10.1 und 10.2 illustrieren, dass dies auch fur die moderne Erde gilt. Sind diese Prozesse mit kompressiver oder transpressiver Deformation in der Lithosphare verbunden, spricht man von Orogenese (griechisch: Gebirgsbildung). Ein Orogen, das Produkt der Orogenese, ist eine meist lang gestreckte Zone in der Lithosphare, die durch eine kogenetische gebirgsbildende Entwicklung gekennzeichnet ist. Meist spat im Verlauf einer Orogenese entsteht ein Gebirge im topografischen Sinne. Beispielsweise ist die Kollisionszone zwischen den Lithospharenplatten India und Eurasia ein aktives Orogen, der Himalaya ist die topografische Entsprechung an der Oberflache.

Abtragung, Transport und Ablagerung

In Kap. 3 haben wir gezeigt, wie die unterschiedlichen Verwitterungsformen einen bestehenden Gesteinsverband in feste und losliche Anteile zerlegen. Die nun beweglich gewordenen Stoffe unterliegen der Abtragung, die hauptsachlich von der Schwerkraft gesteuert wird. Man unterscheidet zwischen Erosion und Denudation. Unter Erosionversteht man lokal wirksame Vorgange des Abtransportes von Feststoffen durch Hangrutschungen, Windabrieb, fliesendes Wasser oder durch Eis. DieDenudationkombiniert diese flachenhafte Abtragung der Festlander mit der Wirkung der chemischen Verwitterung.

System Erde: zyklische Prozesse mit komplexen Ursachen

Die exogenen Spharen sind durch vielfaltige interne Wechselwirkungen miteinander verknupft, daruber hinaus sind sie an endogene und extraterrestrische Prozesse gekoppelt. Diese Kopplung ist bei den Meeresspiegelschwankungen und Klimaanderungen sowie im Kohlenstoffkreislauf besonders deutlich.

Kontrollfaktoren der exogenen Dynamik

Die exogene Dynamik fasst diejenigen Vorgange zusammen, die die Erdoberflache durch die Einwirkung von Luft, Wasser, Eis, Temperatur, Schwerkraft sowie der Lebewelt verandern. Ein an der Oberflache anstehendes Gestein unterliegt hauptsachlich den Einflussen von Klima und Wetter, es verwittert. Dies fuhrt zur Auflosung des Gesteinsmaterials in feste und wasserlosliche Komponenten. Im Zuge des grosflachigen Abtrags, der Denudation, und der Erosion (s. u.) werden diese durch fliesendes Wasser, Gletscherstrome oder durch Wind vom Verwitterungsort wegbewegt. Beim Transport werden die Korner gerundet und weiter zerkleinert. Schlieslich gelangt ein groser Teil der bewegten festen und gelosten Fracht in die Meere, wo sie von den Meeresstromungen umgelagert und schlieslich abgelagert werden.