Tectónica, sedimentación y volcanismo del antepaís roto durante la inversión andina en la zona central de Chubut

Abstract

El presente trabajo analiza los depósitos neógeno-cuaternarios de la Cuenca de Paso del Sapo, ubicados en el antepaís andino norpatagónico, en la región extra andina de la Provincia del Chubut, a través de un estudio desde múltiples aproximaciones.La Cuenca de Paso del Sapo posee una orientación elongada, dominantemente N-S a NO-SE, y se desarrolla en un área aproximada de 750 km2. Las estructuras que delimitan y afectan parcialmente al relleno de la cuenca son fallas inversas mayormente producto de inversión o reactivación de elementos estructurales previos (lineamientos paleozoicos, fallas normales mesozoicas y fallas normales paleógenas). Su borde Este está delimitado por la Falla del Río Chubut Medio, de carácter contraccional, con una longitud de más de 60 km y una orientación N-S a NO-SE e inclinación hacia el E-NE. El límite Oeste está determinado por la Falla San Martín, de ∽40 km de longitud y una orientación también N-S a NO-SE e inclinación al O-SO. Ambas estructuras, de vergencia opuesta, delimitan una zona triangular deprimida donde se alojan los depósitos de la cuenca en estudio, los cuales se encuentran afectados por fallas inversas fuertemente oblicuas a las de borde. El relleno de la cuenca fue dividido en cuatro Unidades de Acumulación (U-I, U-II, U-III y U-IV) limitadas por superficies de discontinuidad a escala regional de distinta jerarquía. Los análisis geocronológicos desarrollados, basados en un estudio magnetoestratigráfico de detalle calibrado temporalmente con una datación radimétrica U/Pb, permitieron definir un marco temporal de alta resolución para estas unidades: la U-I, correspondiente con los depósitos asignados a la Formación La Pava fue depositada entre los 17-16,4 Ma (Mioceno inferior), la U-II fue acumulada entre los 16,4-13,15 Ma (Mioceno inferior a medio) y puede correlacionarse con la sección inferior de la Formación Collón Cura; la U-III, correspondiente a los términos superiores de la Formación Collón Cura, se acumuló entre los 13,15-11,5 Ma (Mioceno medio a superior) y la U-IV, depositada en el Plio-Pleistoceno se corresponde con las sucesiones informales definidas como Depósitos de Planicies Superiores.La U-I, está separada del basamento por una superficie regional y erosiva de 1° orden (S1). Fue acumulada en sistemas aluviales volcaniclásticos con desarrollo de paleosuelos, de reducida extensión y asociados a altos internos de basamento. La U-II posee una amplia distribución espacial, se desarrolla sobre una superficie regional no erosiva (S2) y fue acumulada en ambientes deltaico-lacustres volcaniclásticos. La U-III, de gran distribución espacial, corresponde a la acumulación de sedimentos mayormente volcaniclásticos en sistemas aluviales, separados de la unidad anterior por una superficie de 2° orden (S2). La U-IV se desarrolla sobre una superficie regional y erosiva de 1° orden que incide sobre unidades previas erosionando incluso el basamento de la cuenca y está representada por depósitos fluviales epiclásticos aterrazados. Dentro de las U-I, U-II y U-III fueron reconocidas distintas superficies internas, definiendo un 3° orden de superficies (S3).El análisis de la distribución espacio-temporal y de la naturaleza de los sistemas sedimentarios, en conjunto con la identificación y cuantificación de indicadores tectónicos, climáticos y de aporte volcánico reconocidos en el relleno permitió realizar un modelo evolutivo para la Cuenca de Paso del Sapo, representado por cuatro etapas principales. Los indicadores tectónicos fueron analizados mediante el estudio de la relación existente entre los procesos de deformación y sedimentación, identificándose unidades sin y post cinemáticas; los parámetros paleoclimáticos fueron obtenidos mediante análisis micro y macromorfológico de paleosuelos y geoquímica de elementos mayoritarios realizados en horizontes de suelo específicos; mientras que para analizar el aporte volcánico se desarrollaron análisis composicionales, volumétricos y de tasas de sedimentación. La primera etapa está representada por los depósitos aluviales de la U-I, fue acumulada contemporáneamente con la actividad tectónica de todas las estructuras presentes, bajo un clima templado, húmedo, subtropical y estacional que registra los valores más altos de precipitación y temperatura medias anuales (∽1250 ± 108 mm/año y 12 ± 2,1 °C); posee un aporte dominantemente volcaniclástico (76,5 % del volumen total), tasas de sedimentación de 6,6 cm/ka y un volumen de acumulación de sedimentos de ∽2 km3. Los sistemas deltaico-lacustres de la U-II representan la segunda etapa evolutiva, desarrollada bajo un clima similar al mencionado para la etapa anterior, con una leve disminución en las precipitaciones y temperaturas medias anuales (∽1050 ± 108 mm/año y 11 ± 2,1 °C), es considerada sintectónica debido a la contemporaneidad con la actividad tectónica de la Falla del Río Chubut Medio, y posee un aporte casi exclusivamente volcaniclástico (94,66 % del volumen total), con un volumen de 16,9 km3 depositado a tasas de 5,2 cm/ka. La tercera etapa se desarrolló en un clima más árido y frío (∽700 ±108 mm/año y 10 ± 2,1 °C), posee un volumen de 27 km3 de sedimentos aluviales mayormente volcaniclásticos (78,62 % del volumen total), depositados a razón de 11,3 cm/ka de manera sincrónica con la actividad de la Falla del Río Chubut Medio. La última etapa se inicia con una importante caída en el nivel de base registrada por una superficie erosiva y regional sobre la cual se depositaron los sedimentos aterrazados epiclásticos de la U-IV (∽1,3 km3), en un contexto post tectónico y con aporte exclusivamente epiclástico.Las distintas señales ambientales registradas por las diferentes superficies reconocidas (S1, S2 y S3), determinan importantes variaciones en los factores externos que condicionaron la evolución de la Cuenca de Paso del Sapo. Las superficies S1 delimitan un estadio endorreico con acomodación positiva, desarrollado durante el Mioceno (17-11 Ma), de un estadio exorreico con degradación del relleno y acomodación negativa para el Plio-Pleistoceno. Estas superficies fueron asignadas a procesos tectónicos que modificaron los sistemas de drenaje, con lapsos temporales del orden de 106 a 107 años. A una escala intermedia (106 años), las superficies S2, que registran la instalación y el cese de los sistemas lacustres fueron asignadas a procesos tectónicos y climáticos respectivamente. Para rangos temporales del orden de 105 a 106 años, los arreglos de alta frecuencia (0,5 ? 1 Ma) registrados por las superficies S3 fueron interpretados como modificaciones en las condiciones tectónicas y de aporte volcánico.Los resultados obtenidos en este trabajo se corresponden con la presencia de un sistema de antepaís fragmentado en el antepaís norpatagónico, con una deformación continua y contemporánea en los sectores andino y extra andino al menos entre los 17-11 Ma. Las evidencias paleoclimáticas sugieren la presencia de un proceso de aridización consecuente con el alzamiento de la región norpatagónica andina y la sombra de lluvias asociadas; y registran condiciones climáticas previas a la aridización que pueden ser correlacionados con eventos climáticos a escala global (Optimo Climático del Mioceno Medio). Los procesos tectónicos y climáticos ocurrieron simultáneamente con una actividad magmática mayormente representada por generación de grandes volúmenes de material volcaniclástico en zonas cordilleranas, que fueron retrabajados y retransportados, y constituyen más del ∽80-90 % del relleno de la cuenca de Paso del Sapo. El incremento progresivo en el aporte de material desde los 17-11 Ma, podría indicar una migración hacia el antepaís del arco magmático Mioceno.

The Neogene-Quaternary Paso del Sapo Basin is an intermontane basin located in the extra Andean region of the Chubut Province. It has a N-S to NW-SE main trend, and extends over an area of ∽750 km2. It was originated by reverse faulting an inversion or reactivation of pre-Neogene faults (i.e., Paleozoic to Palogene). The structural morphology characterizes the main part of the basin as a triangular zone between antithetic reverse faults. The eastern boundary is defined by an inverted normal fault of more than 60 km long, with W to SW vergence (i.e., the Río Chubut Medio Fault). To the West, the basin is limited by an inverted normal fault of ∽40 km long, with E vergence (i.e., the San Martín Fault). In the central part of the basin minor reverse E-W trending faults are also registered. The infill of the basin was divided into four units (U-I, U-II, U-III and U-IV) limited by regional discontinuities. The U-I includes deposits assigned to the La Pava Formation, whereas the U-II and U-III include deposits of the lower and upper section of Collón Cura Formation. Based on a detail magnetoestratigraphic work together with a new geochoronological U/Pb data, a high resolution timescale for the basin infill of U-I to U-III was performed. The results constrain the age of the deposits of the U-I between 17 –16.4 My (lower Miocene), to 16.4 –13.15 My (lower to middle Miocene) for the deposits of the UII and between 13,15–11,5 My (medium to upper Miocene) for the deposits of the U-III. The U-IV was developed in the Plio-Pleistocene and corresponds to an informal lithoestratigraphic unit defined as Depósitos de Planicies Superiores. The first Unit (U-I) is delimited from the pre-Neogene basement by a regional and erosive surface (1st-order discontinuity: S1). The deposits of this unit were accumulated as a volcaniclastic alluvial system with paleosol development, and has a restricted extension associated with internal highs. The deposits U-II has a wider spatial distribution and are separated from U-I by a non-erosive regional surface (2nd-order discontinuity: S2). The deposits of this unit were accumulated in a deltaic-lacustrine volcaniclastic environment. The deposits of U-III have a great spatial distribution. They corresponds to the accumulation of mostly volcaniclastic sediments by alluvial systems. They are separated from the previous unit by a 2nd-order discontinuity (S2). The U-IV is linked to a regional and erosive surface of 1st order that erodes U-I to U-III and even the pre- Neogene basement. The U-IV is represented by epiclastic fluvial deposits. Within UI, U-II and U-III, surfaces of 3rd order were recognized (S3). The stratigraphic and sedimentological analysis of the sedimentary systems, together with the identification and quantification of tectonic, climatic and volcanic indicators recognized in the infill allowed for an evolutionary model for the Paso del Sapo Basin, represented by four main stages. The tectonic indicators were analyzed by studying the relationship between deformation and sedimentation processes, identifying syn and post kinematics units; paleoclimatic parameters were obtained by micro and macromorphological analysis of paleosols and geochemistry of major elements obtained in specific soil horizons; while to analyze the volcanic supply, compositional, volumetric and sedimentation rate analyzes were developed. The first stage is represented by the alluvial deposits of the U-I, accumulated in a syn-tectonic setting, under a temperate, humid, subtropical and seasonal climate that records the highest values of temperature and precipitation in the history of the basin (i.e., ∽1200 ± 108 mm/year and 12 ± 2,1 °C). The U-I has a volcaniclastic dominated composition (76,5 %), sedimentation rates of 6,6 cm/ky and a sediment mass of ∽2 km3. The deltaic-lacustrine systems of the U-II represent the second evolutionary stage, developed under similar climate conditions of stage 1, with a slight decrease in rainfall and middle annual temperatures (i.e., ∽1050 ± 108 mm/year and 11 ± 2,1 ° C). This stage is considered syn-tectonic due to the tectonic activity of the Río Chubut Medio Fault and has sediment rates of 5, 2 cm / ky. The deposits of this stage represent a volume of 16,9 km3 with a mainer volcaniclastic composition (∽95%). The third stage is developed under a more arid and cold climate (∽700 ± 108 mm/year and 10 ± 2,1 °C). Sediment mass of this stage was calculated in 27 km3 of alluvial sediments mostly volcaniclastic (78,62%). This stage is also syn-tectonic, under the influence of the Río Chubut Medio Fault. Sedimentation rates in this stage are 11, 3 cm/ky. The last stage begins with a significant base level drop recorded by an erosive and regional surface. On this stage fluvial epiclastic sediments of the U-IV are deposited in a post-tectonic context. Several environmental signals were associated with the main discontinuities (S1, S2 and S3). This surfaces determine variations in the external factors that conditioned the evolution of the Paso del Sapo Basin. The 1st-order discontinuity delimit an endorheic stage with positive accommodation, developed during the Miocene (17-11 My), from an exorheic stage with degradation of the infill and negative accommodation space, developed at Plio-Pleistocene times. These surfaces were assigned to tectonic processes that modified the drainage systems, with temporal scales of 106 to 107 years. At an intermediate scale (106 years), 2nd-order discontinuities S2, which record the starting and the ending of lacustrine sedimentation, were assigned to tectonic and climatic processes, respectively. For temporary scales of the order of 105 to 106 years, the high frequency arrangements (0.5 - 1 My) recorded by the S3 surfaces were interpreted as changes in the tectonic and volcanic conditions. The results obtained in this work support the presence of a broken foreland system in the North Patagonian Foreland, with synchronic contractional events in the Andean and extra-Andean region at least between 17-11 My. Paleoclimatic evidences for this lapse support the presence of a process of aridization consistent with the tectonic rise of the Southern Andes and the associated rain shadow; and record climatic conditions prior to aridization that can be correlated with global scale climate events (i.e., Middle Miocene Climate Optimum). The tectonic and climatic processes occurred simultaneously with a explosive arc magmatism, represented by the production of large volumes of volcaniclastic material, which was reworked and represent more than ∽80-90 % of the infill recorded in the Paso del Sapo Basin. The progressive increase in the volcaniclastic input between 17-11 My could be associated with the eastward foreland expansion of the Miocene volcanic arc.