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El rol de la placa superior en la evolución tectónica andina (33-36°S): aportes desde la geología estructural y el modelado numérico Tesis presentada para optar por el título de Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área Ciencias Geológicas Matías Barrionuevo Director: Dr. Daniel Yagupsky Co-director: Dr. José Mescua Consejero de Estudios: Dr. Ernesto Cristallini Lugar de trabajo: Instituto de Nivología, Glaciología y Ciencias Ambientales. IANIGLA, CCT – Mendoza, CONICET Lugar y fecha de defensa: Buenos Aires, 17/03/2020 UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Departamento de Ciencias Geológicas The role of the upper plate in the Andean tectonic evolution (33-36°S): insights from structural geology and numerical modeling Matías Barrionuevo Univ.-Diss. zur Erlangung des akademischen Grades "doctor rerum naturalium" (Dr. rer. nat.) in der Wissenschaftsdisziplin "Geologie" eingereicht an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät Institut für Geowissenschaften der Universität Potsdam und der Universität Buenos Aires Ort und Tag der Disputation: Buenos Aires, Argentinien, 17. Marz 2020 Hauptbetreuer: Prof. Dr. Stephan V. Sobolev Betreuer: Prof. Dr. Manfred Strecker Mentor: Dr. Javier Quinteros Gutachter: Prof. Dr. Bodo Bookhagen Dr. Facundo Fuentes Dr. Juan Franzese The role of the upper plate in the Andean tectonic evolution (33-36°S): insights from structural geology and numerical modeling Thesis presented to opt for the degree of Doctor de la Universidad de Buenos Aires, Geosciences and Dr. rer. nat. from the University of Potsdam Matías Barrionuevo Supervisor UBA: Dr Daniel Yagupsky Supervisor UP: Dr Stephan Sobolev Workplace: Instituto de Nivología, Glaciología y Ciencias Ambientales. IANIGLA, CCT – Mendoza, CONICET Buenos Aires, 17th March, 2020 UNIVERSITY OF BUENOS AIRES Faculty of Exact and Natural Sciences UNIVERSITY OF POTSDAM Faculty of Sciences i Tabla de contenidos Tabla de contenidos ......................................................................................................................... i Resumen ........................................................................................................................................ 1 Abstract .......................................................................................................................................... 2 Zusammenfasung ........................................................................................................................... 3 Agradecimientos ............................................................................................................................. 5 Capítulo I ........................................................................................................................................ 6 1. Introducción ................................................................................................................................ 6 1.1 Hipótesis de la investigación ..................................................................................................... 6 1.2 Preguntas que guían la investigación ........................................................................................ 7 1.3 Objetivos ................................................................................................................................... 8 1.3.1 Objetivos generales............................................................................................................ 8 1.3.2 Objetivos específicos ......................................................................................................... 8 1.4 Estructura de la tesis y consideraciones preliminares ............................................................... 8 1.5 Metodología general ................................................................................................................. 9 1.6 Marco geológico ...................................................................................................................... 11 1.6.1 Evolución paleozoica y mesozoica del margen occidental de América del Sur ................. 14 1.6.2 Unidades morfoestructurales ............................................................................................ 16 Cordillera de la Costa ................................................................................................................ 16 Depresión Central ..................................................................................................................... 17 Cordillera Principal .................................................................................................................... 17 Cordillera Frontal ...................................................................................................................... 18 Precordillera .............................................................................................................................. 18 Sierras Pampeanas ................................................................................................................... 19 Cerrilladas Pedemontanas ........................................................................................................ 19 Bloque de San Rafael ............................................................................................................... 20 1.6.3 Ciclo tectónico andino - desde el Cretácico Tardío hasta el presente ............................... 20 1.6.4 Iniciación de la deformación andina – desde el Cretácico Tardío hasta el Paleoceno ....... 21 1.6.5 Levantamiento inicial de la Cordillera Frontal a 30°S durante el Eoceno Tardío ............. 22 1.6.6 Extensión del Eoceno tardío al Mioceno temprano ........................................................... 22 1.6.7 Evento principal de acortamiento del Mioceno temprano (21-16 Ma) ............................... 23 1.6.8 Deformación dirigida hacia el este y subducción horizontal del Mioceno medio (15-12 Ma) .................................................................................................................................................. 26 1.6.9 Levantamiento de la Precordillera del Mioceno medio-tardío (12-6 Ma) ........................... 27 1.6.10 Deformación pliocena en el antepaís (5-2,5 Ma) ............................................................ 28 1.6.11 Cuaternario (2,5 Ma hasta la actualidad) ........................................................................ 29 1.6.12 Análisis del acortamiento cortical .................................................................................... 32 Capítulo II ..................................................................................................................................... 34 2. Deformación miocena en el frente orogénico de la faja plegada y corrida de Malargüe (35º30'- 36°S): controles en la migración de fluidos magmáticos e hidrocarburíferos. ................................ 34 Resumen ...................................................................................................................................... 34 ii Abstract ........................................................................................................................................ 34 2.1 Introducción ............................................................................................................................ 35 2.2 Marco geológico ...................................................................................................................... 38 2.2.1 La Cuenca Neuquina norte ...............................................................................................38 2.2.2 La faja plegada y corrida de Malargüe.............................................................................. 40 2.2.3 Actividad magmática ........................................................................................................ 42 2.3 Métodos .................................................................................................................................. 43 2.4 Resultados .............................................................................................................................. 45 2.4.1 Mapeo estructural superficial ............................................................................................ 45 2.4.2 Estructura subsuperficial .................................................................................................. 48 2.4.3 Modelo estructural pseudo-3D ......................................................................................... 51 2.4.4 Intrusivos cenozoicos y su relación con las estructuras .................................................... 54 2.4.5 Análisis cinemático ........................................................................................................... 57 2.5 Discusión ................................................................................................................................ 59 2.5.1 Controles en el emplazamiento de intrusivos ................................................................... 59 2.5.2 Estado de esfuerzos durante la intrusión magmática y relación con la migración de fluidos .................................................................................................................................................. 61 2.5.3 Evolución tectónica y magmática del área de estudio ...................................................... 63 2.6 Conclusiones .......................................................................................................................... 66 Capítulo III .................................................................................................................................... 67 3. Estado de esfuerzos y fallas activas en el frente orogénico de los Andes en la faja plegada y corrida de Malargüe (35°-36°S) .................................................................................................... 67 Resumen ...................................................................................................................................... 67 Abstract ........................................................................................................................................ 67 3.1. Introducción ........................................................................................................................... 68 3.2. Marco geológico ..................................................................................................................... 68 3.3. Métodos ................................................................................................................................. 71 3.4. Fallas activas ......................................................................................................................... 72 3.4.1 Sector norte ..................................................................................................................... 72 3.4.2 Sector sur ......................................................................................................................... 76 3.5. Análisis cinemático ................................................................................................................. 77 3.6. Estado de esfuerzos .............................................................................................................. 81 3.6.1. Direcciones de los esfuerzos ........................................................................................... 81 3.6.2. Magnitudes de esfuerzos ................................................................................................ 85 3.7. Análisis de la tendencia al deslizamiento ............................................................................... 86 3.8. Variaciones de los esfuerzos de Coulomb .............................................................................. 88 3.9. Discusión ............................................................................................................................... 89 3.9.1. Implicancias tectónicas ................................................................................................... 89 3.9.2. Implicancias para el peligro sísmico ................................................................................ 90 3.10. Conclusiones ....................................................................................................................... 91 Capítulo IV .................................................................................................................................... 92 4. Primer acercamiento al modelado numérico del sistema de subducción ................................... 92 iii Resumen ...................................................................................................................................... 92 Abstract ........................................................................................................................................ 92 4.1 Introducción ............................................................................................................................ 92 4.2 LAPEX-2D .............................................................................................................................. 93 4.2.1 Metodología ..................................................................................................................... 93 4.2.2 Configuración del modelo ................................................................................................ 96 4.3 Resultados de los modelos ..................................................................................................... 97 4.4 Conclusiones y trabajo futuro ................................................................................................ 100 Capítulo V ................................................................................................................................... 101 5. El impacto de las características heredadas de la corteza en la evolución de los Andes Centrales del Sur: nuevos aportes a partir de observaciones de campo y del modelado numérico ................................................................................................................................................... 101 Resumen .................................................................................................................................... 101 Abstract ...................................................................................................................................... 102 5.1 Introducción .......................................................................................................................... 102 5.2 Marco geológico .................................................................................................................... 104 5.3.1 Métodos geológicos ....................................................................................................... 110 5.3.2 Modelado geodinámico numérico ................................................................................... 110 5.4 Configuración del modelo numérico ...................................................................................... 112 5.4.1 Modelos del grupo A: altas velocidades de empuje y LAB linear .................................... 116 5.4.2 Modelos del grupo B: bajas velocidades de empuje y LAB lineal ................................... 117 5.4.3 Modelosdel grupo C: bajas velocidades de empuje y LAB simétrico ............................. 117 5.4.4 Modelos del grupo D: bajas velocidades de empuje y LAB asimétrico ........................... 118 5.5 Resultados ............................................................................................................................ 120 5.5.1 Modelos del grupo A (altas velocidades de empuje) ....................................................... 120 5.5.1a Modelos a 33°40'S (A33.4): .......................................................................................... 120 5.5.1b Modelos a 36°S (A36): ................................................................................................ 121 5.5.2 Modelos del grupo B (velocidades de empuje más bajas) .............................................. 121 5.5.2a Modelos a 33°40'S (B33.4): .......................................................................................... 121 5.5.2b Modelos a 36°S (B36): ................................................................................................. 122 5.5.3 Modelos del grupo C (velocidades de empuje bajas y LAB simétrica) ............................ 123 5.5.3.a Modelos a 33°40'S: C33 .............................................................................................. 123 5.5.3.b Modelos a 36° (C36): .................................................................................................. 124 5.5.4 Modelos del grupo D (velocidades de empuje bajas y LAB asimétrico) .......................... 124 5.5.4.a Modelos a 33°40'S (D33.4):......................................................................................... 124 5.5.4.b Modelos a 36° (D36): .................................................................................................. 125 5.6 Limitaciones del modelo ........................................................................................................ 127 5.7 Discusión .............................................................................................................................. 127 5.8 Conclusiones ........................................................................................................................ 128 Capítulo VI .................................................................................................................................. 130 6. Conclusiones y perspectivas a futuro ...................................................................................... 130 6.1 Conclusiones ........................................................................................................................ 130 iv 6.2 Perspectivas futuras .............................................................................................................. 131 7. Referencias ............................................................................................................................. 132 8. Material suplementario .............................................................................................................. S1 1 El rol de la placa superior en la evolución tectónica andina (33-36°S): aportes desde la geología estructural y el modelado numérico Resumen Los Andes Centrales del Sur (33-36°S) son un gran laboratorio para el estudio de los procesos de deformación orogénica, donde las condiciones de borde, como la geometría de la placa subductada, imponen un importante control sobre la deformación andina. Por otro lado, la Placa Sudamericana presenta una serie de heterogeneidades que también imparten un control sobre el modo de deformación. El objetivo de esta tesis es probar el control de este último factor sobre la construcción del sistema orogénico andino. A partir de la integración de la información superficial y de subsuelo en el área sur (34°- 36°S), se estudió la evolución de la deformación andina sobre el segmento de subducción normal. Se desarrolló un modelo estructural que evalúa el estado de esfuerzos desde el Mioceno hasta la actualidad, el rol de estructuras previas y su influencia en la migración de fluidos. Con estos datos y publicaciones previas de la zona norte del área de estudio (33°- 34ºS), se realizó un modelado numérico geodinámico para probar la hipótesis del papel de las heterogeneidades de la placa superior en la evolución andina. Se utilizaron dos códigos (LAPEX-2D y ASPECT) basados en elementos finitos/diferencias finitas, que simulan el comportamiento de materiales con reologías elastoviscoplásticas bajo deformación. Los resultados del modelado sugieren que la deformación contraccional de la placa superior está significativamente controlada por la resistencia de la litósfera, que está definida por la composición de la corteza superior e inferior y por la proporción del manto litosférico, que a su vez está definida por eventos tectónicos previos. Estos eventos previos también definieron la composición de la corteza y su geometría, que es otro factor que controla la localización de la deformación. Con una composición de corteza inferior más félsica, la deformación sigue un modo de cizalla pura mientras que las composiciones más máficas provocan un modo de deformación tipo cizalla simple. Por otro lado, observamos que el espesor inicial de la litósfera controla la localización de la deformación, donde zonas con litósfera más fina es propensa a concentrar la deformación. Un límite litósfera-astenósfera asimétrico, como resultado del flujo de la cuña mantélica tiende a generar despegues vergentes al E. Palabras clave: geología estructural; tectónica, subducción; modelado geodinámico; Andes. 2 The role of the upper plate in the Andean tectonic evolution (33-36°S): insights from structural geology and numerical modeling Abstract The Southern Central Andes (33°-36°S) are an excellent natural laboratory to study orogenic deformation processes, where boundary conditions, such as the geometry of the subducted plate, impose an important control on the evolution of the orogen. On the other hand, the South American plate presents a series of heterogeneities that additionally impart control on the mode of deformation. This thesis aims to test the control of this last factor over the construction of the Cenozoic Andean orogenic system. From the integration of surface and subsurface information in the southern area (34- 36°S), the evolution of Andean deformation over the steeply dipping subduction segment was studied. A structural model was developed evaluating the stress state from the Miocene to the present-day and its influence in the migration of magmatic fluids and hydrocarbons. Based on these data, together with the data generated by other researchers in the northern zone of the study area (33-34°S), geodynamic numerical modeling was performed to test the hypothesis of the decisive role of upper-plate heterogeneities in the Andean evolution. Geodynamic codes (LAPEX-2D and ASPECT) which simulate the behavior of materials with elasto-visco-plastic rheologies under deformation, were used. The model results suggest that upper-plate contractional deformation is significantly controlled by the strength of the lithosphere, which is defined by the composition of the upper and lower crust, and by the proportion of lithospheric mantle, which in turn is determined by previous tectonic events. In addition, the previous regional tectono-magmatic events also defined the composition of the crust and its geometry, which is another factor that controls the localization of deformation. Accordingly, with more felsic lower crustal composition, the deformation follows a pure-shear mode, while more mafic compositions induce a simple-shear deformation mode. On the other hand, it was observed that initial lithospheric thickness may fundamentally control the location of deformation, with zonescharacterized by thin lithosphere are prone to concentrate it. Finally, it was found that an asymmetric lithosphere-astenosphere boundary resulting from corner flow in the mantle wedge of the eastward-directed subduction zone tends to generate east-vergent detachments. Keywords: structural geology; tectonics, subduction; geodynamic modeling; Andes. 3 Die Rolle der oberen Platte in der tektonischen Entwicklung der Anden (33-36°S): Erkenntnisse aus der Strukturgeologie und der numerischen Modellierung Zusammenfasung Die südlichen Zentralanden (33°-36°S) sind eine ausgezeichnete, natürliche Forschungsumgebung zur Untersuchung gebirgsbildender Deformationsprozesse, in der Randbedingungen, wie die Geometrie der subduzierten Platte, einen starken Einfluss auf die Evolution des Gebirges besitzen. Anderseits sind die Deformationsmechanismen geprägt von der Heterogenität der Südamerikanischen Platte. In dieser Arbeit wird die Bedeutung dieses Mechanismus für die Herausbildung der Anden während des Känozoikums untersucht. Im südlichen Teil (34-36°S), in dem die subduzierte Platte in einem steileren Winkel in den Erdmantel absinkt, wird die Entwicklung der Andendeformation mithilfe von oberflächlich aufgezeichneten und in tiefere Erdschichten reichenden Daten untersucht. Das darauf aufbauende Strukturmodell ermöglicht die Abschätzung der tektonischen Spannungen vom Miozän bis in die Neuzeit und den Einfluss der Bewegungen von magmatischen Fluiden, sowie Kohlenwasserstoffen. Auf Grundlage dieser Daten und solcher, die von Wissenschaftlern im nördlichen Bereich des Untersuchungsgebietes (33- 34°S) erfasst wurden, wurde eine geodynamische, numerische Modellierung durchgeführt, um die Hypothese des Einflusses der Heterogenität der oberen Platten auf die Gebirgsbildung der Anden zu überprüfen. Die genutzte geodynamische Softwares (LAPEX- 2D und ASPECT) simulieren das Verhalten von elasto-viskoplastischen Materialien, wenn diese unter Spannung stehen. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass die Kontraktionsprozesse hauptsächlich durch die Stärke der Lithosphäre beeinflusst werden. Diese Kenngröße wird aus der Zusammensetzung von Ober- und Unterkruste und dem Anteil des lithosphärischen Mantels, der durch vorhergehende tektonische Vorgänge überprägt ist, bestimmt. Diese räumlich begrenzten tektono-magmatischen Events definieren ebenfalls die Zusammensetzung und die Geometrie der Erdkruste, welche einen großen Einfluss auf das räumliche Auftreten von Deformationsprozessen hat. Eine eher felsische Unterkruste führt vorrangig zu pure-shear, während eine eher mafisch zusammengesetzte Unterkruste primär zu einem Deformationsmechanismus führt, der simple-shear genannt wird. Weiterhing wurde beobachtet, dass die Dicke der Lithosphäre vor der Deformation einen fundamentalen Einfluss auf die räumliche Eingrenzung von Deformation hat, wobei Regionen mit einer dünnen Lithosphärenschicht verstärkt 4 Deformation aufweisen. Eine asymmetrische Grenzschicht zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre ist das Resultat von Fließprozessen im Erdmantel, im Keil zwischen der obenliegenden Platte und der sich ostwärts absinkenden Subduktionszone, und verstärkt die Herausbildung von nach Osten gerichteten Abscherungen in der Erdkruste. 5 Agradecimientos A mis padres, Linda y Carlos, y a mis hermanos, Rocío y Benja, que siempre me apoyaron, con amor, a través de estos años. Con ellos, empecé a disfrutar de las montañas y la naturaleza. A mi ahijada, Valentina y a Justina, cuyas risas y amor me alegran. A Sole por dejarme ser parte de su familia. A Laura y José, que me guiaron de cerca durante mi doctorado. Su generosidad, humildad y ayuda fueron muy importantes durante esta etapa. A Valeria que me acompañó gran parte del tiempo de este proyecto, que me apoyó cuando estuve en el extranjero y cuyas palabras y amor realmente me hicieron sentir bien. A mis amigos del instituto, Sebis, Tuqui, Albertini, Marcos, Clari, Mari, Andre, Aldi, Valen, Juli, Manu, Javi, Fer, Diego, Rodri. Y entre ellos, especialmente a Pili, que en los últimos meses apareció como una gran y encantadora compañera para caminar los últimos pasos del doctorado. A mis amigos del coro, con quienes compartí estos años de canto, y particularmente a Natu, Tango, Flor, Tincho, Mati, Titi, Nati, Ceci, Nico, Eric. Especialmente a Lili por enseñarme a disfrutar de la música en grupo. A mis amigos en Córdoba, Chancha, Popi, Carlitos, Juan P, Mateo, Vere, Lu, Ine, Gordo Franco, Enano, Tata y sobre todo a Fer que nos acompaña desde arriba y cuya pasión por la geología y los Andes siempre nos inspiró. Por tantos "asados" y momentos felices. A Stephan, Andrey y Javier que me introdujeron en el tema de los modelos numéricos y me enseñaron mucho. A Dani Yag y Manfred por su gran ayuda con las correcciones del manuscrito y su apoyo durante el proyecto de doctorado. A los revisores Dr. Facundo Fuentes, Dr. Juan Franzese y Dr. Bodo Bookhagen cuyas sugerencias mejoraron este manuscrito. Al proyecto StRATEGy aquí en Argentina y en Alemania que me permitió trabajar en cooperación con muchos colegas, y particularmente con Sibiao Liu. A Verónica Acosta que me ayudó a realizar el doctorado binacional. A Martin Zeckra y Sarah Zobel, que me ayudaron con la traducción al alemán y a Michaël Pons que me ayudó a presentar la tesis en Alemania. Al Estado argentino, a la Universidad pública de Córdoba y a la Universidad de Buenos Aires y a todos y todas los que contribuyeron a mi formación. Al CONICET que me brindó apoyo económico a través de la beca de doctorado y la oportunidad de quedarme y aprender en Alemania. 6 Capítulo I 1. Introducción 1.1 Hipótesis de la investigación Los Andes son la localidad tipo de un orógeno de subducción no colisional, donde la placa oceánica de Nazca se subduce debajo de la placa continental sudamericana (Oncken et al., 2006). Mientras que la evolución orogénica andina parece estar controlada en gran medida por el comportamiento del sistema de subducción (Jarrard, 1986; Sobolev y Babeyko, 2005; Oncken et al., 2006; Ramos, 2010), el cinturón montañoso comprende segmentos con características estructurales y evolución tectono-magmática variables (Gansser, 1973; Ramos, 1999; Tassara y Yáñez, 2003; McGroder et al., 2015). Esta segmentación es el resultado de la interacción entre la dinámica de subducción y las características de la placa superior (Gansser, 1973), y esto incluye las anisotropías de la corteza, heredadas de procesos geológicos pasados en el tiempo profundo. Por lo tanto, las características geológicas heredadas (estructuras, composición, espesor de la corteza inferior y superior, entre otras) de la placa continental del sistema de subducción ejercen un importante control sobre los procesos de deformación durante la orogénesis. Los eventos extensionales pre-andinos mesozoicos entre 33° y 36°S modificaron significativamente la arquitectura de la corteza de la Placa Sudamericana y generaron segmentos con diferentes características (por ejemplo, Franzese y Spalletti, 2001, Mosquera y Ramos, 2006; Bechis et al., 2014) que más tarde, durante la compresión andina del Cenozoico, han respondido de manera diferente e influido en los procesos de deformación hasta nuestros días (por ejemplo, Manceda y Figueroa, 1995; Cristallini y Ramos, 2000; Mescua et al., 2016). Por ejemplo, al norte de 35°S, se infiere que la resistencia de la litósfera es menor en comparación con la litósfera al sur de 35°S (Giambiagi et al., 2012). Esto se ha explicado debido a diferencias en la extensión cortical corteza durante el Mesozoico, cuando el área al sur de 35° S experimentó más extensión, lo que resultó en una menor relación de espesor entre la corteza y el manto litosférico, lo que la hace más resistente a la deformación por compresión.Tal escenario sería susceptible a un desacople de la deformación entre la corteza superior e inferior y por lo tanto sería similar al modelo de cizalla simple (simple shear) propuesto para los procesos de deformación en el Altiplano entre 19° y 23°S (Isacks, 1988; Allmendinger y Gubbels, 1996); allí, la deformación de la corteza superior se localiza hacia el este con respecto al espesor máximo de la raíz de la corteza. Esto contrasta con un modelo de cizalla pura (pure shear), 7 donde la deformación de la corteza superior e inferior están acopladas o en la misma columna vertical de roca, como se ha propuesto para el sector sur del Plateau andino, en la Puna Argentina entre 23° y 26°S (Isacks, 1988; Allmendinger y Gubbels, 1996). La diferencia fundamental en las características de deformación tectónica del Plateau Andino está relacionada con la presencia de una secuencia sedimentaria potente en el antepaís del Altiplano boliviano, donde se desarrolla la faja plegada y corrida ya que alli se concentra la deformación, debido a una menor resistencia en comparación con el arco y el interior del orógeno (Babeyko y Sobolev, 2005). En contraste, la deformación en las regiones al este de la Puna está acomodada por cadenas montañosas limitadas por fallas inversas con actividad temporal y espacial dispares, dando lugar a el antepaís fragmentado del Noroeste argentino, que no coincide con cuencas sedimentarias potentes. Estos ejemplos ilustran que las características de la corteza continental juegan un papel fundamental en la determinación de estilos deformacionales y que las anisotropías de la corteza pueden ser más importantes en las características generales de deformación en comparación con la geometría de las placas de subducción. En el área de estudio (33- 36°S), las sucesiones sedimentarias de la Cuenca Neuquina no muestran grandes variaciones de espesor. Ésta área se encuentra al sur del segmento de subducción plana que subyace en el centro argentino. La principal hipótesis de investigación que impulsa este trabajo es que la historia tectono-magmática pre-andina es un factor fundamental que controla la resistencia de la corteza y por lo tanto la localización de la deformación andina cenozoica. 1.2 Preguntas que guían la investigación Las principales preguntas que guían esta investigación se resumen a continuación: ● ¿Cómo se distribuye la deformación en la placa superior del sistema de subducción y qué controla esta distribución espacial? ● ¿Cómo condiciona la presencia de una corteza inferior máfica frente a una más félsica el modo de deformación? ● ¿Influye la geometría de la corteza de la placa superior (cuencas o áreas engrosadas) en cómo se distribuye la deformación? Para responder a estas preguntas, compilé datos estructurales en toda el área de estudio centrándome en las transectas a 33° 30 y a 36° S en el segmento de subducción normal o mas empinada. Este sector de los Andes también es importante porque se encuentra en la zona de la transición propuesta para el desarrollo de deformación tipo cizalla pura y simple a 35° S (Giambiagi et al. 2012). En la transecta a 36°S, me enfrenté a una falta de 8 información estructural geológica detallada y fue necesario un trabajo de campo adicional para mejorar el conocimiento de la evolución tectónica en esta región. 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivos generales En el contexto de las preguntas de investigación descritas anteriormente, los principales objetivos de esta investigación son: (i) analizar la evolución tectónica cenozoica del orógeno andino en el sector centro-sur del orógeno; (ii) probar modelos geodinámicos conceptuales (cizalla pura vs. simple) para la evolución de los Andes al norte y sur de 35°S, utilizando modelos numéricos termomecánicos; y (iii) comparar los resultados obtenidos con los modelos evolutivos tectónicos que se han inferido para estas regiones. El modelado numérico termomecánico ayudará a validar estos modelos de evolución tectónica y avanzar en nuestra comprensión de la construcción de montañas de tipo andinas. 1.3.2 Objetivos específicos ● Examinar el papel de las estructuras mesozoicas preexistentes en la deformación andina en transectas seleccionadas a lo largo del área de estudio, es decir, las transectas a 33° y 36°S. ● Evaluar la evolución de las estructuras de deformación y el campo de esfuerzos tectónico relacionado, en el frente orogénico (desde el Mioceno hasta la actualidad) y los impactos en la migración de fluidos. ● Verificar si los modelos conceptuales propuestos por diferentes autores para la evolución de los Andes Centrales del Sur son consistentes con los resultados de modelado numérico de los procesos físicos que han estado impulsando la construcción de montañas, utilizando diferentes configuraciones iniciales de corteza. ● Comparar mis propias conclusiones con las obtenidas para otras latitudes por otros investigadores, explorando la idea de diferentes etapas en la evolución a lo largo de los Andes. 1.4 Estructura de la tesis y consideraciones preliminares Esta tesis forma parte de un convenio de cotutela entre la Universidad de Buenos Aires (Argentina) y la Universidad de Potsdam (Alemania) para obtener un doctorado entre ambas universidades. La tesis también forma parte del proyecto de Cooperación Internacional StRATEGy (Surface processes, Tectonics and Georesources: The Andean foreland basin of Argentina) entre el CONICET de Argentina y el DFG de Alemania cuyo objetivo es estudiar 9 los Andes desde un punto de vista multitemporal (involucrando escalas de tiempo muy diferentes), multidisciplinario y multiespacial (involucrando áreas muy diferentes), considerando las relaciones clima-tectónica, la influencia de las estructuras corticales heredadas, el modelado de cuencas, la generación de recursos y los peligros geológicos, entre otros temas. La tesis se organiza como una serie de capítulos que pueden leerse de forma relativamente independiente ya que algunos forman parte de publicaciones aceptadas y otros pertenecen a manuscritos en preparación. El capítulo I es una introducción al tema de investigación, incluyendo la metodología y el marco geológico de la zona. El capítulo II se basa en un manuscrito publicado en Tectonophysics (Barrionuevo et al., 2019) centrado en la evolución del frente orogénico en la faja plegada y corrida de Malargüe. El capítulo III se basa en un artículo publicado en Tectonophysics (Mescua, Barrionuevo, et al., 2019) que investiga el estado actual de esfuerzos y su relación con fallas activas y peligro sísmico en la faja plegada y corrida de Malargüe. Este capítulo es el resultado del reconocimiento de fallas activas durante el trabajo de campo, que inicialmente tuvo como objetivo ampliar la base de datos estructural para el área de estudio. En el capítulo IV se presentan las técnicas de modelado numérico aplicadas y se intenta modelar todo el sistema de subducción utilizando LAPEX-2D. El capítulo V constituye un manuscrito del primer autor en preparación; en este manuscrito presento los resultados de experimentos de modelado numérico entre 33°S y 36°S y su comparación con el área de estudio, basados en variaciones en las condiciones iniciales de la placa superior. Por último, en el capítulo VI se resumen las conclusiones y posibles vías futuras de investigación relacionadas con los resultados de esta tesis. El presente manuscrito en español es una traducción del originalmente presentado en inglés para cumplir con los requisitos de ambas universidades. Dicha tesis en inglés se encuentra en el repositorio de la Universidad de Potsdam. 1.5 Metodología general En primer lugar, este estudio se basa en la recopilación de la información bibliográfica del área de estudio sobre su geología y evolución tectónica. Las zonas norte y central (33°- 34°S) son áreascon la mayor densidad de datos con respecto a la evolución geológica, con análisis detallados sobre geología estructural (ver Giambiagi et al., 2015 y 2016 para una revisión). En segundo lugar, en la zona sur (34-36°S) se llevó a cabo un trabajo de campo adicional, incluyendo mapeo estructural y análisis de indicadores cinemáticos de fallas para constreñir 10 la evolución estructural de la zona. En particular, durante el trabajo de campo en la faja plegada y corrida de Malargüe (35°-36°S), se estudiaron las unidades geológicas, su actitud y estilo estructural dado por fallas y pliegues. Los datos cinemáticos fueron analizados utilizando el software FaultKin (Allmendinger et al., 2001, 2012) para estimar los ejes P y T en estaciones de medición representativas de fallas de mesoescala. En tercer lugar, la combinación de esta información se utilizó para generar un mapa base con el software abierto QGIS que se utilizó posteriormente como datos de entrada para construir secciones estructurales locales en el programa comercial MOVE. Para la construcción de las secciones también se utilizaron datos del subsuelo, como sísmica 2D y 3D, junto con información de registro de pozos de hidrocarburos proporcionada por la empresa ROCH SA. Esto me permitió atar las estructuras superficiales y las unidades aflroantes con sus manifestaciones subsuperficiales. El cuarto paso consistió en modelado numérico termomecánico. Para este propósito, realicé 2 estadías en la Sección de Modelado Geodinámico del GFZ (Deutsches GeoForschungsZentrum, Potsdam, Alemania). En el GFZ el Dr. Stephan Sobolev, el Dr. Andrey Babeyko y el Dr. Javier Quinteros me guiaron en la realización de las simulaciones. Para los modelos numéricos, se propuso utilizar el código geodinámico LAPEX-2D, desarrollado por el Dr. Babeyko. Se realizaron modificaciones en este código con el fin de simular una losa oceánica que se subduce con una geometría y velocidad prescriptas, para evitar la variabilidad que puede ocurrir si se desarrolla dinámicamente. La primera etapa de este esfuerzo de modelado conduce a resultados poco realistas. Por lo tanto, se diseñó una nueva serie de modelos, sin imponer restricciones a la losa. Estos modelos todavía se están ejecutando. Las simulaciones se realizaron en el clúster GMOD2 del GFZ y en TUPAC del CSC CONICET. Al mismo tiempo, las simulaciones se llevaron a cabo utilizando un código más reciente. Este código se llama ASPECT (Kronbichler et al., 2012; Heister et al., 2017) y nuestros análisis de los diferentes conjuntos de datos se llevaron a cabo en cooperación con Sibiao Liu, MSc de la Universidad de Potsdam. En estas simulaciones probamos el comportamiento de la litósfera continental bajo compresión, pero sin subducción de una placa oceánica. Las simulaciones se realizaron en la HLRN (North-German Supercomputing Alliance) en Alemania. Estos conjuntos de experimentos se presentan en el capítulo 5. Los resultados obtenidos pueden ser exportados y visualizados en Paraview, lo que permite analizar la evolución temporal de las diferentes variables. 11 1.6 Marco geológico La cordillera de los Andes, con una longitud de unos 7000 km, resulta de la subducción de diferentes placas oceánicas del Pacífico (Placas de Cocos, Nazca y Antártica) bajo la Placa Sudamericana. Este sistema orogénico presenta un patrón de acortamiento caracterizado por un sector central (~20°S) donde es máximo (entre 280 y 320 km, Isacks, 1988; Allmendinger et al., 1997; Kley et al., 1999; Ramos, 1999 a; McQuarrie, 2002); hacia el norte y el sur disminuye el acortamiento. El origen de estas variaciones en el acortamiento es debatido, y múltiples factores pueden ser responsables de esto (ver Oncken et al., 2006 para una revisión). Entre estos factores se encuentran: (i) el debilitamiento de la litósfera por la cuña astenosférica (Isacks, 1988); (ii) la edad de la losa subducida (Ramos et al., 2004; Yañez y Cembrano, 2004); (iii) la existencia de zonas con subducción plana (Isacks, 1988; Jordan et al., 1983 a);(iv) la subducción de las dorsales oceánicas (Yañez et al., 2001); (v) la existencia de heterogeneidades de la corteza y variaciones en la resistencia de la placa superior (Tassara y Yañez, 2003; Babeyko y Sobolev, 2005; Oncken et al, 2006), así como la presencia de potentes cuencas sedimentarias que promueven la formación de fajas plegadas y corridas de piel delgada (Allmendinger y Gubbels, 1996; Kley et al., 1999); (vi) diferentes zonas climáticas y su relación con la contribución de sedimentos a la trinchera, lo que puede modificar el grado de acoplamiento de placas en la zona de subducción (Lamb y Davis, 2003; Strecker et al., 2007, 2009); y (vii) dinámica a escala litosférica y flujo del manto en la zona de subducción (Russo y Silver, 1996; Schellart et al., 2007; Faccenna et al., 2013). Además de estos factores de primer orden a gran escala, hay factores adicionales de segundo orden que pueden promover variaciones en el acortamiento. Estos pueden incluir diferencias heredadas en el espesor de la corteza y composición de la corteza inferior (Giambiagi et al., 2012), las características del basamento y la geometría de las cuencas sedimentarias extensionales (Kley et al., 1999; Ramos et al., 2004; McGroder et al., 2015). El sistema orogénico andino puede dividirse en diferentes segmentos (Fig.1.1) según las características geológicas, la geometría de la zona de subducción y la topografía. Existen varias propuestas, la primera de Gansser (1973) que distingue los Andes Norte (10ºN-4ºS), Andes Centrales (4ºS-46º30'S) y Andes Del Sur (46º30'-52ºS), según criterios tectónicos (Fig. 1.1). Ramos (1999a), sobre la base de esta propuesta, introdujo una nueva subdivisión en los Andes Centrales de acuerdo con las variaciones en la geometría de la zona Wadati- Benioff; diferenció un sector norte (4ºS-14ºS), un sector central (14ºS-27ºS) y un sector sur (27ºS-46º30'S). 12 Aquí, me enfoqué en la porción de los Andes Centrales del Sur que se encuentra entre 33° y 36°S. En esta zona, la placa oceánica de Nazca es subducida por debajo de la placa Sudamericana. Aunque se considera que los Andes son el resultado del acortamiento y la elevación en esta latitud desde el Cretácico hasta la actualidad (por ejemplo, Mpodozis y Ramos, 1989), la mayor parte del engrosamiento de la corteza y el levantamiento topográfico tuvieron lugar durante el Mioceno-Cuaternario (Ramos et al., 1996; Giambiagi et al., 2012; Suriano et al., 2017). Entre 30° y 36°S, hay variaciones en el ángulo de subducción de la losa oceánica, con un segmento sub- horizontal entre 27° y 33°S y una zona de subducción más inclinada al sur de 33°S (Barazangi e Isacks, 1976); Cahill e Isacks, 1992). Este contexto geodinámico general define características muy diferentes al norte y al sur de 33°S (Isacks et al., 1982; Jordan et al., 1983 a). En el segmento sub-horizontal o de subducción plana, el orógeno andino (Fig. 1.2) comprende, de oeste a este, la Cordillera de la Costa, las cordilleras Principal y Frontal, la faja plegada y de piel delgada de Precordillera, y un sector con deformación de piel gruesa correspondiente al levantamiento del basamento de las Sierras Pampeanas. Se ha inferido que las Sierras Pampeanas están relacionadas con la somerización de la losa de Nazca durante el Mioceno tardío, que también causó una migración del arco magmático hacia el antepaís, lo que resultó en el vulcanismo de arco a 500 km de distancia de la picos más altos de los Andes (Ramos, 1988; Kay et al., 1991). Los datos termocronológicos recientes limitados sugieren una historia de levantamiento que pudo haber comenzado antes, quizás acentuado por los efectos de la subducción plana en el Neógeno (Löbens et al., 2011; Bense et al., 2013). Este segmento de subducción plana se caracteriza porla ausencia de un arco volcánico activo. Entre 33° y 34°S existe una zona de transición entre el segmento de subducción plana al norte y la zona de subducción normal al sur. Aquí se produce la abrupta desaparición de la Precordillera y las Sierras Pampeanas y el sistema orogénico se estrecha. Figura 1.1: Segmentación andina en principales provincias estructurales, según Gansser (1973) y Ramos (1999). De Folguera et al., 2016. 13 Las unidades morfoestructurales de este sector son, de oeste a este, la Cordillera de la Costa, la Depresión Central, la Cordillera Principal, la Cordillera Frontal y las Cerrilladas Pedemontanas. En esta región, aparece de nuevo un arco volcánico activo, que corresponde a la Zona Volcánica Sur (SVZ, Hildreth y Moorbath, 1988; Stern et al., 2007). Al sur de 34°, la expresión topográfica de la Cordillera Frontal desaparece bajo los sedimentos del Cenozoico, dejando sólo la Cordillera de la Costa y la Cordillera Principal como las únicas unidades morfoestructurales del orógeno y el bloque de basamento elevado correspondiente al Bloque de San Rafael en la zona de antepaís. Figura 1.2: A: Provincias morfoestructurales del área de estudio. B: Mapa geológico simplificado basado en SERNAGEOMIN (2003) y SEGEMAR (1997) con localización de las transectas (Fig. 1.7) indicada por letras mayúsculas. Modificado de Mescua et al. (2016). 14 1.6.1 Evolución paleozoica y mesozoica del margen occidental de América del Sur El margen occidental de Gondwana registra una prolongada historia de subducción, que resultó en una heterogeneidad estructural de la corteza, antes del desarrollo del orógeno andino cenozoico (Ramos et al., 1986); estas anisotropías de la corteza han sido reconocidas como un importante control sobre la deformación asociada con el acortamiento andino. Los eventos contraccionales en el Paleozoico y los eventos extensionales en el Mesozoico crearon anisotropías y zonas de debilidad que afectaron la resistencia litosférica y la aparición de distintos estilos estructurales durante la deformación compresiva del Neógeno (Giambiagi et al., 2012). La evolución geológica del Paleozoico temprano se caracterizó por la acreción de terrenos alóctonos o para-autóctonos a el margen occidental de Gondwana. Según varios autores, durante el Ordovícico Medio a Tardío se produjo la acreción del terreno Cuyania (Fig. 1.3) de origen lauréntico (Ramos et al., 1998; Thomas y Astini, 1996). Posteriormente, durante el Devónico Tardío, el terreno Chilenia, cuyo origen aún se debate, se acrecionó al margen (Ramos et al., 1986; López y Grégori, 2004; Massone y Calderón, 2008). A finales del Paleozoico, se desarrolló una zona de subducción a lo largo del margen continental y se produjo una deformación contraccional, conocida como la orogenia Gondwánica (Keidel, 1916; Du Toit, 1937; Cawood, 2005) o la Fase San Rafael (Azcuy y Caminos, 1987). Éste cinturón orogénico con corteza engrosada tenía una forma curva orientada al NO a NNO (Llambías y Sato, 1990). Las cuencas de retroarco de edad Carbonífero-Pérmica Temprana (Limarino y Spalletti, 2006) fueron deformadas durante este evento. En la región de estudio se formaron dos estructuras importantes durante el Paleozoico que probablemente impactaron en la orogenia cenozoica: el lineamiento NNO La Manga (Fig. 1.3), que se interpreta como una anisotropía de escala litosférica con evidencia de reactivación sucesiva durante el Paleozoico tardío y el Mesozoico (Bechis et al., 2010); y el lineamento ONO Sosneado-Melipilla (Fig. 1.3). Esta estructura está asociada con la anomalía de Melipilla, un bloque rígido de la corteza al sur de la zona de cizalla sinestral de Melipilla (Yáñez et al., 1998) La transición del Pérmico Tardío al Triásico Temprano se caracteriza por un evento extensional generalizado asociado con la ruptura inicial de Gondwana (Charrier, 1979; Llambías et al., 1993). Durante este tiempo,el plutonismo post-orogénico y el vulcanismo 15 ácido del Grupo Choiyoi, que abarca gran parte del área de estudio (Fig. 1.3), se asoció con el colapso gravitacional del orógeno de San Rafael (Llambías et al., 1993; Sato et al., 2015). Durante el Triásico Temprano a Medio continuaron los procesos extensionales, generando los hemigrábenes orientados al NNO de la Cuenca Cuyana y otras cuencas, que se rellenaron de sedimentos clásticos continentales (Kokogián et al., 1993; Franzese Figura 1.3: Características preandinas, incluyendo terrenos, cuencas y cinturones volcánicos que conforman la Placa Sudamericana entre 30°-36°S (modificada de Mescua et al., 2016). 16 et al., 2003). Posteriormente, durante el Triásico Tardío-Jurásico Temprano la extensión se desplazó hacia el oeste y se desarrollaron los primeros depocentros de la Cuenca Neuquina (Legarreta y Gulisano, 1989; Vergani et al., 1995). A medida que la extensión continuó, los depocentros de la Cuenca Neuquina coalescieron en el Jurásico Medio y entre el Jurásico Medio al Cretácico Inferior el relleno de la cuenca registra una etapa de subsidencia térmico (sag) con más de 5000 m de depósitos marinos y continentales (Vergani et al., 1995). Finalmente, en el Cretácico Tardío se inició el levantamiento andino en esta latitud y se depositaron los depósitos continentales del Grupo Neuquén (Tunik et al., 2010; Di Giulio et al., 2012; Mescua et al., 2013). 1.6.2 Unidades morfoestructurales En el área entre 30° y 36°S, se pueden definir tres sectores morfoestructurales con diferentes características tectónicas (Fig. 1.2). El sector norte, entre 30°-33°S, en el segmento de subducción plana; un sector de transición entre 33°-34°S, y un sector meridional, entre 34°-36°S, con una zona de subducción normal y de ángulo de subducción pronunciado (Barazangi e Isacks, 1976; Cahill e Isacks, 1992; Tassara et al., 2006). Según Jordan et al. (1983a) esta variación en la geometría de la zona de subducción puede ser en parte responsable de la presencia o ausencia de ciertas provincias morfoestructurales. En el segmento de subducción plana, no existe una Depresión Central que separe la Cordillera de la Costa de la Cordillera Principal, como se observa en Chile (Charrier et al., 2015). Al este de la Cordillera Principal, las principales provincias morfoestructurales incluyen la Cordillera Frontal, la Precordillera y las Sierras Pampeanas. Estas dos últimas provincias ya no están presentes en la zona de transición, y en el segmento de subducción normal, la Cordillera Frontal está ausente. Cordillera de la Costa Este cordón (Fig. 1.2) consiste en una serie de afloramientos del Paleozoico Tardío al Cretácico, dispuestos en un homoclinal suavemente buzante al E (Wall et al., 1999). No se han identificado grandes corrimientos andinos. En cambio, esta región exhibe fallas de rumbo NO a NNO, como la falla de Melipilla (Yáñez et al., 2002). La deformación andina cenozoica en esta cordillera está relacionada con el plegamiento flexural y la elevación, sin un movimiento significante a lo largo de las estructuras contraccionales (Giambiagi et al., 2015). 17 Depresión Central La Depresión Central (Fig. 1.2) separa la Cordillera de la Costa de la Cordillera Principal al sur de Santiago de Chile; la depresión alberga depósitos sedimentarios y piroclásticos cuaternarios, de hasta 500 m de espesor (Araneda et al., 2000). Localmente, las rocas del basamento emergen del relleno como alturas aisladas que alcanzan los 1600 m de altitud (Rodríguez et al., 2012). Cordillera Principal La Cordillera Principal (Fig. 1.2) comprende un sector occidental (WPC) y un sector oriental (EPC). El sector occidental corresponde al arco volcánico del Oligoceno al Mioceno y se caracteriza por la inversión de la cuenca del Abanico, una cuenca extensional de intra- arco del Eoceno Tardíoal Mioceno Temprano (Godoy et al., 1999; Charrier et al., 2002; Fock et al., 2006). La Formación Abanico está deformada por pliegues de longitud de onda larga (102-103 m) (Rivano et al., 1990). Estas rocas están cubiertas por la Formación Farellones que está vinculada a la actividad del arco del Mioceno Medio; esta unidad está suavemente plegada con buzamientos estratales <15° (Vergara et al., 1988). El sector oriental (EPC) se divide en tres fajas plegadas y corridas (FPC) que se caracterizan por diferentes estilos estructurales: la FPC de La Ramada, la FPC del Aconcagua y la FPC de Malargüe. Al norte de 32°30'S la FPC de La Ramada corresponde a una región con deformación de piel fina y piel gruesa. Esto es consecuencia de la inversión tectónica de las estructuras extensionales permo-triásicas (Cristallini et al., 1995; Jara y Charrier, 2014) y del rift Triásico Tardío-Jurásico Temprano (Álvarez et al., 1996; Ramos et al., 1996a; Mackaman Loflad et al., 2020). Inicialmente, se produjo un período de deformación de piel delgada que afectó los depósitos de la Cuenca Neuquina; la deformación de piel fina se asoció con un nivel de despegue en las evaporitas jurásicas de la Formación Auquilco. Esta deformación temprana fue reemplazada por la inversión de fallas extensionales en el basamento Permo-Triásico (Cristallini y Ramos, 2000). En esta latitud el orógeno registra una baja cantidad de acortamiento (~18 km) en la Cordillera Principal ya que la deformación se concentra en la Precordillera (Cristallini et al., 1995; Cristallini y Ramos, 2000). La FPC del Aconcagua (32°30'-34°S) es una faja plegada y corrida de piel delgada en su parte norte, con valores de acortamiento de ~60 km. La FPC comprende pliegues y corrimientos vergentes al este que despegan en las pelitas y evaporitas del Jurásico de la Cuenca Neuquina (Kozlowski et al., 1993; Cegarra y Ramos, 1996). En el sector sur, la FPC 18 cambia a un régimen de deformación de piel gruesa, ya que el acortamiento se acomoda adicionalmente por la inversión de fallas normales mesozoicas (Giambiagi et al., 2003 a). La FPC de Malargüe (al sur de 34°S) es un cinturón híbrido con características de deformación de piel gruesa y delgada, con fallas profundas que afectan al basamento y fallas poco profundas que deforman rocas sedimentarias mesozoicas a cenozoicas (Kozlowski et al., 1993; Manceda y Figueroa, 1995; Giambiagi et al., 2008; Silvestro y Atencio, 2009; Fuentes et al., 2016). En la zona norte, la FPC comparte características estructurales con la porción sur de la FPC del Aconcagua, marcando una transición a la deformación de piel gruesa al sur de 35°S (Giambiagi et al., 2016). En algunos lugares, las fallas normales triásico-jurásicas se invirtieron, como las fallas La Manga y Río del Cobre (Mescua y Giambiagi, 2012), o ejercieron una influencia en el desarrollo de los corrimientos cenozoicos (Manceda y Figueroa, 1995; Giambiagi et al., 2008; Yagupsky et al., 2008; Bechis et al., 2014). El acortamiento disminuye hacia el sur, de ~30 km a 34°S a ~10 km a 36ºS (Giambiagi et al., 2012; Mescua et al., 2014). Cordillera Frontal Esta provincia morfoestructural (Fig. 1.2) está compuesta por rocas metamórficas proterozoicas, rocas metasedimentarias y metavolcánicas del Paleozoico Temprano, rocas sedimentarias marinas del Paleozoico Tardío, granitoides del Carbonífero al Pérmico y rocas volcánicas del Pérmo-Triásico (Polanski, 1964, 1972; Heredia et al., 2012). Estas rocas afloran en las siguientes cordilleras que conforman la Cordillera Frontal: Cajón de la Brea, Colangüil, Ansilta, Cordón de la Ramada, Cordillera del Tigre, Cordón del Plata, Cordón del Portillo y Cordillera de las Yaretas (Ramos, 1999b; Giambiagi et al., 2016). Al norte de 33°S, la Cordillera Frontal se eleva a lo largo de una rampa ciega, que se eleva por debajo de la FPC de Precordillera (Allmendinger et al., 1990). Al sur de los 33°S, la Cordillera Frontal está delimitada por el sistema de fallas de La Carrera, que corresponde a fallas reactivadas de rumbo N a NNE (Caminos, 1965; Folguera et al., 2004; Casa et al., 2010). Precordillera La FPC de Precordillera (Fig. 1.2) se encuentra entre 29° y 33°S; de norte a sur puede subdividirse en dos zonas, la zona norte entre 29° y 32°S, y la zona sur, entre 32° y 33°S. La zona norte puede subdividirse, según características estratigráficas y estructurales, en tres subunidades: la Precordillera Occidental, Central y Oriental (Ortiz y Zambrano, 1981). En sus sectores occidental y central, la Precordillera es una FPC de piel delgada y vergente 19 al E; el sector oriental implica fallas de basamento, con estructuras principalmente vergentes al O, similares al estilo de deformación de las Sierras Pampeanas (Bracaccini, 1946, 1960; Rolleri, 1969). Los corrimientos de las zonas occidental y central despegan a lo largo de un décollement en las calizas y pelitas cámbricas a ordovícicas (Baldis y Chebli, 1969; Ortiz y Zambrano, 1981). La estratigrafía comprende depósitos continentales y marinos del Paleozoico temprano a medio (evaporitas, calizas y rocas clásticas), rocas continentales, marinas y volcánicas del Paleozoico tardío, sedimentos continentales del Triásico y depósitos sinorogénicos del Mio-Plioceno (Jordan et al., 1983b; Kokogian et al., 1999; Ramos, 1999b). En contraste, la Precordillera sur exhibe un estilo de deformación de piel gruesa e involucra rocas del Paleozoico medio al Triásico que se reactivaron durante el acortamiento andino (Giambiagi et al., 2011). La ausencia de la secuencia paleozoica completa distingue esta parte de la provincia morfoestructural de la Precordillera septentrional. Sierras Pampeanas Esta provincia morfoestructural (por ejemplo, Sierra de Pie de Palo en la Fig. 1.2) corresponde a una serie de bloques de basamento delimitados por fallas inversas (Stelzner, 1873; González Bonorino, 1950), y elevaciones superiores a los 5000 m en algunos sectores. El basamento consiste en rocas metamórficas e ígneas del Proterozoico al Paleozoico temprano, cubiertas por sedimentos continentales neopaleozoicos (Bodenbender, 1911; Salfity y Gorustovich, 1984). Esta región se vió afectada durante la extensión mesozoica con la depositación de sedimentos continentales y rocas volcánicas máficas (López y Solá, 1981; Kay y Ramos, 1996; Lagorio, 2008). Se infiere que los bloques de basamento, asimétricamente elevados están asociados con fallas inversas lístricas, generalmente con una vergencia hacia el oeste (González Bonorino, 1950) y asociados con la reactivación compresional de fallas normales mesozoicas y anisotropías paleozoicas (Gordillo y Lencinas, 1979; Jordan y Allmendinger, 1986; Jordan et al, 1983b; Ramos, 1999 b). Cerrilladas Pedemontanas Las Cerrilladas Pedemontanas (Fig. 1.2) presentan una serie de pliegues alargados, con fallas inversas vergentes al O y E (Dellapé y Hegedus, 1995), de rumbo NNO. Esto se debe a la reactivación de fallas normales triásicas de la Cuenca Cuyana, que fueron parcialmente invertidas durante el Cenozoico (Legarreta et al., 1992). Aquí, los depósitos continentales 20 del Triásico están cubiertos por sedimentos sinorogénicos neógenos a cuaternarios de la subcuenca de Cacheuta (Irigoyen et al., 2000; Buelow et al., 2018). Bloque de San Rafael El Bloque de San Rafael (Fig. 1.2) corresponde a una sierra elevada de basamento, ubicado en el centro-sur de Mendoza, entre 34° y 36°S. Esta unidad morfotectónica, cuyo basamento corresponde a rocas metamórficas proterozoicas (grenvilianas), está cubierta por rocas ordovícicas calcáreas, siliciclásticas y metamórficas de bajo grado; estas unidades son cubiertas por sedimentos silúrico-devónicos y carboníferos y rocas volcánicas y sedimentarias pérmo-triásicas (González Díaz, 1964; Bordonaro, 1999; Baldis y Peralta, 1999;Cortés et al., 1999; Kleiman y Japas, 2009). El vulcanismo de retroarco se desarrolló en este bloque durante el Plioceno al Cuaternario (Folguera et al., 2009). El Bloque de San Rafael se eleva unos 100-200 m sobre la cuenca del Alvear y la llanura pampeana (Folguera y Zárate, 2011). Fue elevada por el sistema de fallas Las Malvinas (Folguera et al., 2009) y la falla Santa Isabel, ambas fallas inversas, que estuvieron activas en el Plioceno (~3 Ma; Folguera y Zárate, 2009). En la zona oriental, se documenta la neotectónica caracterizada por un sistema de fallas activo (Folguera et al., 2009); los datos incluyen la actividad a lo largo de la falla Las Malvinas asociada con el terremoto M 6.0 de 1929 (Bastías et al., 1993; Cisneros y Bastías, 1993; Cortéz et al., 2006). Se ha especulado que esta actividad neotectónica puede verse influenciada, como factor de segundo orden, por el impacto de anomalías del manto en la corteza inferior (Burd et al., 2014; Folguera et al., 2015). 1.6.3 Ciclo tectónico andino - desde el Cretácico Tardío hasta el presente El ciclo tectónico andino comenzó durante el Cretácico Tardío, aunque la subducción de una placa oceánica por debajo del margen occidental de América del Sur probablemente ya se había establecido durante el Triásico (Vázquez et al., 2011; Del Rey et al 2016, Oliveros et al., 2018); el magmatismo relacionado se desarrolló en las ubicaciones de las actuales Cordillera Principal y la Cordillera de la Costa (Oliveros et al., 2018). Este arco magmático era paralelo al margen occidental de Gondwana, con cuencas de retroarco extensionales al este del arco, incluyendo la Cuenca Neuquina. Esto probablemente se debió a un bajo grado de acoplamiento de placas al comienzo del ciclo, cuando la corteza oceánica vieja y fría se subducía debajo de Gondwana occidental (Charrier et al., 2007). Este régimen extensional se mantuvo durante la mayor parte del Jurásico y Cretácico Temprano. 21 El acortamiento comenzó en el Cretácico Tardío, aunque la topografía actual de los Andes entre 30° y 36°S resulta principalmente de la deformación que ha caracterizado a esta región desde el Mioceno hasta la actualidad (Ramos, 1999 b; Giambiagi et al., 2012; Suriano et al., 2017). Las diferentes etapas deformacionales desde el Cretácico Tardío se describen a continuación. 1.6.4 Iniciación de la deformación andina – desde el Cretácico Tardío hasta el Paleoceno La orogenia andina comenzó con episodios de deformación contraccional durante el Cretácico Tardío (Fig.1.4) e implicó la inversión de cuencas de retroarco (Mpodozis y Ramos, 1989). Este evento de acortamiento del Cretácico es registrado por depósitos continentales sinorogénicos del Grupo Neuquén (y su equivalente Formación Diamante) en la Cordillera Principal, entre 34° y 36°S durante el Aptiano-Cenomaniano (Tunik et al., 2010; Orts et al., 2012; Tapia et al., 2012; Mescua et al., 2013; Balgord y Carrapa, 2016; Horton y Fuentes, 2016; Fennell et al., 2017; Gómez et al., 2019). La subsidencia flexural en el antepaís aumentó durante el Maastrichtiano, culminando durante la primera transgresión atlántica, que alcanzó el frente orogénico cretácico (Tunik, 2003; Aguirre-Urreta et al., 2011). Estudios recientes, sin embargo, propusieron una fase extensional para la última parte de este último evento (Fennell et al., 2019). La interpretación clásica de la etapa de cuenca de antepaís (es decir, debido a la carga flexural del orógeno) registrada por el Grupo Neuquén ha sido cuestionada recientemente por Fuentes y Horton (2020) proponiendo que la subsidencia térmica restante de la etapa post-extensional anterior y la carga por el arco magmático fueron más importantes en la generación de espacio de acomodación que debido a una corteza acortada y engrosada. Durante el Paleoceno, una fase de acumulación reducida en el antepaís se relaciona con un acortamiento bajo o nulo en el arco (Horton et al. 2016; Horton y Fuentes, 2016). 22 Figura 1.4: Modelo cinemático para los Andes a 33°40'S desde el Cretácico Tardío hasta el Mioceno Temprano (Giambiagi et al., 2015). 1.6.5 Levantamiento inicial de la Cordillera Frontal a 30°S durante el Eoceno Tardío Según nuevos datos termocronológicos de la Cordillera Frontal a 30°S (por ejemplo, Lossada et al., 2017), el sector central de la Cordillera Frontal comenzó a elevarse durante el Eoceno Tardío hasta el Oligoceno Temprano (~35 Ma). Esto concuerda con la evidencia estructural (Pineda y Emparán, 2006), con los datos termocronológicos de la vertiente occidental (Cembrano et al., 2003; Rodríguez, 2013), y análisis de procedencia en el retroarco (Fosdick et al., 2017). Esta fase tectónica es ampliamente reconocida al norte, en la región Puna/Altiplano (fase de deformación incaica entre 45 y 35 Ma), pero no hay evidencia de esta fase contraccional pre-Mioceno al sur de 30°S. 1.6.6 Extensión del Eoceno tardío al Mioceno temprano Durante el Eoceno Tardío al Mioceno Temprano (Fig. 1.4), se produjo un evento extensional prolongado, que afectó a la vertiente occidental de la Cordillera Principal (Charrier et al., 2002) y que se ha relacionado con el retroceso de la trinchera de la Placa 23 de Nazca (Mpodozis y Cornejo, 2012) entre 35 y 21 Ma (Muñoz et al., 2006). Este evento condujo a fallas normales, adelgazamiento de la corteza (30-35 km) y magmatismo tholeiitico, representado por los depósitos de la Formación Abanico/Coya Machalí (Nyström et al., 1993; Kay y Kurtz, 1995; Zurita et al., 2000; Muñoz et al., 2006). Esta cuenca fue rellenada por hasta 3000 m de depósitos volcánicos, lavas de composición ácida a intermedia e intercalaciones sedimentarias (Charrier et al., 2002). El magmatismo reflejado por la Formación Abanico es contemporáneo al registrado más al norte, entre ~29°S y 30°30'S. Allí, el Grupo Doña Ana del Eoceno Tardío al Mioceno Tardío también fue depositado en un ambiente extensional (Charrier et al., 2007; Litvak et al., 2007; Winocur et al., 2015). Al sur (35-36°S) la Formación Coya Machalí representa el equivalente de la Formación Abanico (Charrier et al., 2007). Durante este período, se interpreta que la Cordillera Costera hubiera correspondido a un máximo topográfico debido al engrosamiento de la corteza (del evento Cretácico Tardío- Paleoceno) y la compensación isostática (Giambiagi et al., 2016). Localmente, el rebote isostático cerca de la falla maestra Abanico vergente al O también puede haber afectado a esta área (Charrier et al., 2009). Hacia el este, en la Cuenca Neuquina, se depositaron sedimentos continentales distales, disminuyendo hacia el este (Melchor y Casadío, 2000). Un hiatus importante que duró 20 Ma se registra en en antepaís (Horton et al., 2016; Horton y Fuentes, 2016) coetáneo con la extensión en el retropaís (hinterland). 1.6.7 Evento principal de acortamiento del Mioceno temprano (21-16 Ma) El último gran evento de acortamiento comenzó a principios del Mioceno (Fig. 1.5) con la inversión de la cuenca de Abanico (Godoy et al., 1999; Charrier et al., 2002; Fock et al., 2006). El inicio de la deformación en la actual vertiente occidental de los Andes está marcado por un cambio de las tholeiitas de bajo K de la Formación Abanico a las dacitas calco-alcalinas del Complejo Volcánico Teniente (~34ºS) (Kay et al., 2005; 2006) entre 21 y 19 Ma (Charrier et al., 2002; 2005). Esta deformación es contemporánea con el vulcanismo entre 29° y 30°S, representado por Las Tórtolas, (Mpodozis y Cornejo, 1988; Nasi et al., 1990; Martin et al., 1995; Murillo et al., 2017), el desarrollo del arco volcánico de Farellones (Vergara et al., 1999) en la zona norte (32°-34°S), y la actividad magmática del Complejo Volcánico Cordón del Burrero (~ 18 Ma) en la zona sur del área de estudio (~35°S) (Sruoga et al., 2008). En la zona norte, la señal geoquímica de laslavas del Oligoceno Tardío al Mioceno Temprano indican un aumento en el espesor de la corteza con respecto a la parte inferior del Grupo Doña Ana (Kay y Abruzzi, 1996; Litvak et al., 2007) y la Formación Abanico (Charrier et al., 2007). 24 Durante este período, el magmatismo de retroarco en la Precordillera estuvo representado por complejos volcánicos y subvolcánicos, como el complejo alcalino la Peña (Villar y Zappettini, 2000; Zappettini et al., 2013). El complejo La Peña fue emplazado en un ambiente tectónico transtensional, desarrollado localmente en la Precordillera durante el Mioceno Temprano (19 Ma) (Pagano et al., 2014). La deformación y levantamiento de la Cordillera Principal Occidental (WPC) está relacionada con la generación de un despegue o detachment principal a nivel cortical, que se enraíza bajo el arco en el contacto entre el Moho y el manto litosférico, a unos 40 km de profundidad y correspondiente al extremo inferior de la zona bloqueada de subducción (Giambiagi et al., 2015). El movimiento hacia el este de la corteza superior con respecto a la zona MASH estable y de larga duración de la corteza inferior (Muñoz et al., 2012) puede explicar el ancho de hasta 40 km del arco volcánico de Farellones. Los principales sectores que fueron elevados pasivamente durante este período son la Cordillera de la Costa Oriental y la Cordillera Principal Occidental (Giambiagi et al., 2016). La elevación pasiva en ambos sectores concuerda con los estudios de procedencia para la parte inferior de la Formación Navidad (Rodríguez et al., 2012) cuyas edades radiométricas indican una deposición durante 23-18 Ma (Gutiérrez et al., 2013); una edad de trazas de fisión en apatita (AFT) de 18,3+2,6 Ma refleja la exhumación durante la sedimentación de los depósitos del Cretácico Superior (Fock, 2005). El levantamiento coetáneo de la Cordillera de la Costa Oriental y la Cordillera Principal dio lugar a la formación de un depocentro relleno de 3000 m de rocas volcánicas que están representadas por las rocas volcánicas de la Formación Farellones (Vergara et al., 1988; Elgueta et al., 1999; Godoy et al., 1999). El inicio de la deformación (20-18 Ma) en las FPCs del antepaís (Cegarra and Ramos, 1996; Cristallini y Ramos, 2000; Pérez, 2001; Giambiagi y Ramos, 2002; Silvestro et al., 2005; Mescua et al., 2014) está vinculado a la propagación hacia el este del despegue principal (Giambiagi et al., 2015). Entre 18 y 15 Ma, sin embargo, las fuerzas motrices aparentemente no eran lo suficientemente fuertes como para causar la elevación de la Cordillera Principal Oriental (WPC); como consecuencia, el orógeno se ensanchó y se propagó hacia el antepaís para mantener la cuña crítica (Giambiagi et al., 2016). El cambio en la ubicación de la deformación podría estar relacionado con el rápido ascenso de magmas derivados del manto y con poca interacción con los sectores superiores de la litósfera en la Cordillera Principal Occidental (Muñoz et al., 2012). Durante este período el sector norte de la FPC del Aconcagua acomodó la mayor parte del acortamiento (Cegarra y Ramos, 1996; Cristallini y Ramos, 2000) antes del vulcanismo del Complejo Aconcagua (15,8-8,6 Ma) (Ramos et al., 1996b). Los depósitos sinorogénicos que registran esta etapa de 25 deformación se conservan en la Cordillera Principal Oriental (EPC) (cuencas de Manantiales, Penitentes y Alto Tunuyán) y en el antepaís a lo largo del frente orogénico (cuencas de Cacheuta, Atuel, Las Peñas y Río Grande-Palauco) (Giambiagi et al., 2016). Figura 1.5: Modelo cinemático para los Andes a 33°40'S desde el Mioceno Temprano a Medio (Giambiagi et al., 2015). El levantamiento de la Cordillera Frontal durante el Mioceno, registra una evolución diacrónica, comenzando primero (es decir, ~18 Ma, Lossada et al., 2018) en la zona norte del área de estudio (30°S), a ~16 Ma en la zona central (32°-33°S; Suriano et al., 2018) y entre 10-5 Ma al sur de 33°S (Lossada et al., en revisión). Esto no puede ser correlacionado con el cambio en la dinámica de la subducción, porque el inicio de la contracción del Mioceno es anterior a la colisión de la dorsal de Juan Fernández, que ha sido considerada 26 por algunos autores como la causa de la subducción plana entre 27° y 33°S (Yáñez et al., 2001; Ramos et al., 2002). 1.6.8 Deformación dirigida hacia el este y subducción horizontal del Mioceno medio (15-12 Ma) Durante este período se produjo un importante acortamiento de la corteza en el segmento norte, concentrado en la Cordillera Principal Oriental (EPC) y en el Cordón de La Ramada (Cordillera Frontal) (Cristallini y Ramos, 2000). El espesor de la corteza alcanzó un valor cercano al presente y se asoció con una migración hacia el este de la raíz de la corteza (Giambiagi et al., 2015). Debido a la carga tectónica, se generó espacio de acomodación en las cuencas de antepaís al este de las FPCs de La Ramada y Aconcagua (Irigoyen et al., 2000; Pérez, 2001; Mazzitelli, 2019). A 30° S la corteza alcanzó su espesor máximo a los ~14 Ma, lo que fue acompañado por un aumento en la magnitud relativa del componente de esfuerzos vertical, lo que causó una permutación entre σ3 y σ2, y un cambio correspondiente a un régimen de transcurrencia (Giambiagi et al., 2017). En el Mioceno Medio-Tardío (14-10 Ma, Yánez et al., 2001; Kay y Mpodozis, 2002), la losa oceánica comenzó a horizontalizarse al norte de 33°S y el vulcanismo migró desde la Cordillera Principal, donde estuvo activo entre 15 y 9 Ma (es decir, complejos volcánicos de Aconcagua y La Ramada; Ramos y otros, 1996b; Pérez y Ramos, 1996), hacia las Sierras Pampeanas (Kay y Abbruzzi, 1996). Al sur de 33°S, la actividad volcánica disminuyó y se manifiesta en forma de centros localizados desde el Mioceno Medio-Tardío hasta el Plioceno (Giambiagi et al., 2016). Posteriormente, el arco volcánico activo se estableció en el Plioceno Tardío (Giambiagi et al., 2016). En el segmento sur (34°-36°S), la FPC de Malargüe oriental se deformó durante este período (Kozlowski et al., 1993; Silvestro et al., 2005; Giambiagi et al., 2008; Turienzo et al., 2012; Mescua et al., 2014), con acortamiento significativo y un estilo estructural complejo, que implicó la inversión de fallas normales mesozoicas y la formación de corrimientos (Giambiagi et al., 2012; Mescua et al., 2014; Fuentes et al., 2016). El frente orogénico se expandió hacia el este, dando lugar a una amplia zona de deformación que incluye la Sierra Azul y la Sierra de Palauco (Yagupsky et al., 2008; Silvestro y Atencio, 2009, Giambiagi et al., 2009). El avance hacia el este de la deformación en la Cordillera Principal fue acompañado por sedimentación sinorogénica que condujo a la formación de la cuenca Pincheira-Ventana entre 16 y 7 Ma (Silvestro et al., 2005; Horton et al., 2016). En este contexto, el magmatismo sinorogénico calco-alcalino del ciclo de Huincán comenzó a ~14 27 Ma (Baldauf, 1997; Nullo et al., 2002; Sruoga et al., 2009) y refleja un importante ensanchamiento del arco hacia el este, contemporáneo con deformación de la corteza. La firma geoquímica de estas rocas volcánicas indica un engrosamiento de la corteza en este período (por ejemplo, Nullo et al., 2002). 1.6.9 Levantamiento de la Precordillera del Mioceno medio-tardío (12-6 Ma) El levantamiento de la Precordillera comenzó entre el Mioceno Medio y el Mioceno Tardío. Estudios previos propusieron que comenzaba a los 20 Ma en su parte occidental con el corrimiento de La Tranca (Jordan et al., 1993); sin embargo, investigaciones recientes han propuesto que el inicio de la deformación puede haber tenido lugar entre 12 y 11 Ma, prácticamente con una migración ininterrumpida del frente orogénico hacia la zona de antepaís (Suriano et al., 2017). Además, se ha sugerido que la elevación de Precordillera fue en
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