Campanian-Eocene dinoflagellate cyst biostratigraphy in the Southern Andean foreland basin: Implications for Drake Passage throughflow

Abstract

The tectonic opening of the Tasmanian Gateway and Drake Passage represented crucial geographic requirements for the Cenozoic development of the Antarctic Circumpolar Current (ACC). Particularly the tectonic complexity of Drake Passage has hampered the exact dating of the opening and deepening phases, and the consequential onset of throughflow of the ACC. One of the obstacles is putting key regional tectonic events, recorded in southern Patagonian sediments, in absolute time. For that purpose, we have collected Campanian-Eocene sediment samples from the Chilean sector of Southern Patagonia. Using U-Pb radiometric dating on zircons and dinoflagellate cyst biostratigraphy, we updated age constraints for the sedimentary formations, and the hiatuses in between. Thick sedimentary packages of shallow-marine and continental sediments were deposited in the foreland basin during the early Campanian, mid-Paleocene, the Paleocene-Eocene boundary interval and the middle Eocene, which represent phases of increased foreland subsidence. We interpret regional sedimentary hiatuses spanning the late Campanian, early-to mid-Paleocene, mid-Eocene and latest Eocene-early Oligocene to indicate times of reduced foreland subsidence, relative to sediment supply. We relate these changes to varying subduction rates and Andean orogeny. Dinoflagellate cyst assemblages suggest that the region was under the influence of the Antarctic-derived waters through the western boundary current of the Subpolar Gyre, developed in the southwest Atlantic Ocean and thus argues for limited throughflow through the Drake Passage until at least the latest Eocene. However, the proliferation of dinoflagellate endemism we record in the southwest Atlantic is coeval with that in the southwest Pacific, and on a species level, dinoflagellate cyst assemblages are the same in these two regions. This suggests that both regions were oceanographically connected throughout the early Paleogene, likely through a shallow opening of a restricted Drake Passage. This implies a continuous surface-water connection between the south Pacific and the South Atlantic throughout the late Cretaceous-early Paleogene.

La apertura tectónica del Conducto de Tasmania y del Pasaje de Drake implicó dos requisitos geográficos cruciales para el desarrollo de la Corriente Circumpolar Antártica (CCA) durante el Cenozoico. En particular, la complejidad tectónica del Pasaje de Drake ha dificultado la datación precisa de las fases de apertura y profundización, y el consiguiente inicio del flujo de la CCA. Uno de los problemas es poner en tiempo absoluto los eventos tectónicos regionales claves, registrados en los sedimentos del sur de la Patagonia. Para ese propósito, recolectamos muestras de sedimentos del Campaniano-Eoceno del sector chileno de la Patagonia meridional. Utilizando la datación radiométrica de U-Pb en circones y la bioestratigrafía de quistes de dinoflagelados (dinoquistes), actualizamos los límites de edades de las formaciones sedimentarias, y los hiatos entre ellas. Los espesos paquetes sedimentarios de sedimentos marinos poco profundos y continentales fueron depositados durante el Campaniano temprano, el Paleoceno medio, el límite Paleoceno-Eoceno y el Eoceno medio, que representan fases de mayor subsidencia de la cuenca. Interpretamos la existencia de hiatos sedimentarios regionales que abarcan el Campaniano tardío, el Paleoceno temprano y medio, el Eoceno medio y el Eoceno tardío-Oligoceno temprano para indicar los momentos de menor subsidencia del terreno en relación con el aporte de sedimentos. Vinculamos estos cambios con la variación de las tasas de subducción y la orogenia andina. Las asociaciones de dinoquistes sugieren que la región estaba bajo la influencia de aguas provenientes de la Antártica a través de la corriente de borde occidental del Giro Subpolar desarrollado en el Atlántico sudoccidental y, por lo tanto, argumentan a favor de un flujo limitado a través del Pasaje de Drake hasta por lo menos el Eoceno más tardío. Sin embargo, la proliferación del endemismo de dinoflagelados que registramos en el Atlántico sudoccidental es coetánea con la del Pacífico sudoccidental, y a nivel de especies, se caracterizan por las mismas asociaciones de dinoquistes. Esto sugiere que ambas regiones estaban conectadas durante el Paleógeno temprano, probablemente a través de una apertura somera en un Pasaje de Drake limitado. Esto implica una conexión continua de agua superficial entre el Pacífico Sur y el Atlántico Sur durante el Cretácico tardío-Paleógeno temprano.