Neogene seismotectonics of the south-central Chile margin [Elektronische Ressource] : subduction-related processes over various temporal and spatial scales / Institut für Geowissenschaften, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Universität Potsdam. Daniel Melnick

Melnick, Samuel Daniel

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

ISSN 1610-0956
Scientific Technical Report STR 07/01
DOI: 10.2312/GFZ.b103-07012
GeoForschungsZentrum Potsdam

Institut für Geowissenschaften
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Universität Potsdam






Neogene seismotectonics of the
south-central Chile margin


Subduction-related processes over various
temporal and spatial scales





Daniel Melnick

Geboren am 25.12.1976 in Santiago, Chile





Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
in der Wissenschaftsdisziplin Geologie


eingereicht an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Universität Potsdam



Potsdam, im Januar 2007

Scientific Technical Report STR 07/01
DOI: 10.2312/GFZ.b103-07012
GeoForschungsZentrum Potsdam

















































Scientific Technical Report STR 07/01
DOI: 10.2312/GFZ.b103-07012
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dedicado a Amerika Manzanares, amor de mi vida...
Scientific Technical Report STR 07/01
DOI: 10.2312/GFZ.b103-07012
GeoForschungsZentrum Potsdam
Scientific Technical Report STR 07/01
DOI: 10.2312/GFZ.b103-07012
GeoForschungsZentrum PotsdamAbstract

The Andean orogen is the most outstanding example of mountain building caused by the
subduction of oceanic below continental lithosphere. The Andes formed by the subduction of the
Nazca and Antarctic oceanic plates under the South American continent over at least ~200 million
years. Tectonic and climatic conditions vary markedly along this north-south–oriented plate
boundary, which thus represents an ideal natural laboratory to study tectonic and climatic
segmentation processes and their possible feedbacks. Most of the seismic energy on Earth is
released by earthquakes in subduction zones, like the giant 1960, M 9.5 event in south-central w
Chile. However, the segmentation mechanisms of surface deformation during and between these
giant events have remained poorly understood. The Andean margin is a key area to study
seismotectonic processes because of its along-strike variability under similar plate kinematic
boundary conditions.
Active deformation has been widely studied in the central part of the Andes, but the south-
central sector of the orogen has gathered less research efforts. This study focuses on tectonics at
the Neogene and late Quaternary time scales in the Main Cordillera and coastal forearc of the
south-central Andes. For both domains I document the existence of previously unrecognized active
faults and present estimates of deformation rates and fault kinematics. Furthermore these data are
correlated to address fundamental mountain building processes like strain partitioning and large-
scale segmentation.
In the Main Cordillera domain and at the Neogene timescale, I integrate structural and
stratigraphic field observations with published isotopic ages to propose four main phases of
coupled styles of tectonics and distribution of volcanism and magmatism. These phases can be
related to the geometry and kinematics of plate convergence. At the late Pleistocene timescale, I
integrate field observations with lake seismic and bathymetric profiles from the Lago Laja region,
located near the Andean drainage divide. These data reveal Holocene extensional faults, which
define the Lago Laja fault system. This fault system has no significant strike-slip component,
contrasting with the Liquiñe-Ofqui dextral intra-arc system to the south, where Holocene strike-
slip markers are ubiquitous. This contrast in structural style along the arc is coincident with a
marked change in along-strike fault geometries in the forearc, across the Arauco Peninsula.
Thereon I propose that a net gradient in the degree of partitioning of oblique subduction occurs
across the Arauco transition zone. To the north, the margin parallel component of oblique
convergence is distributed in a wide zone of diffuse deformation, while to the south it is
partitioned along an intra-arc, margin-parallel strike-slip fault zone.
In the coastal forearc domain and at the Neogene timescale, I integrate structural and
stratigraphic data from field observations, industry reflection-seismic profiles and boreholes to
emphasize the influence of climate-driven filling of the trench on the mechanics and kinematics of
the margin. I show that forearc basins in the 34-45°S segment record Eocene to early Pliocene
extension and subsidence followed by ongoing uplift and contraction since the late Pliocene. I
interpret the first stage as caused by tectonic erosion due to high plate convergence rates and
reduced trench fill. The subsequent stage, in turn, is related to accretion caused by low
convergence rates and the rapid increase in trench fill after the onset of Patagonian glaciations and
climate-driven exhumation at ~6-5 Ma. On the late Quaternary timescale, I integrate off-shore
seismic profiles with the distribution of deformed marine terraces from Isla Santa María, dated by
the radiocarbon method, to show that inverted reverse faulting controls the coastal geomorphology
and segmentation of surface deformation. There, a cluster of microearthquakes illuminates one of
these reverse faults, which presumingly reaches the plate interface. Furthermore, I use accounts of
coseismic uplift during the 1835 M>8 earthquake made by Charles Darwin, to propose that this
active reverse fault has been mechanically coupled to the megathrust. This has important
implications on the assessment of seismic hazards in this, and other similar regions.
These results underscore the need to study plate-boundary deformation processes at various
temporal and spatial scales and to integrate geomorphologic, structural, stratigraphic, and
geophysical data sets in order to understand the present distribution and causes of tectonic
segmentation.




Scientific Technical Report STR 07/01
DOI: 10.2312/GFZ.b103-07012
- i - GeoForschungsZentrum PotsdamZusammenfassung

Die Anden sind eine einzigartige Gebirgskette entstanden aus der Subduktion von
ozeanischer unter kontinentale Lithosphäre. Seit mehr als 200 Millionen Jahren bewirkt die
Subduktion der ozeanischen Nazca- und Antarktisplatte unter den Südamerikanischen Kontinent
eine stete Entwicklung des aktiven Plattenrandsystems. Entlang der Plattengrenze ändern sich die
tektonischen und klimatischen Bedingungen in markanter Weise und machen dieses Orogen zu
einem idealen natürlichen Laboratorium für das Studium tektonischer und klimatischer Prozesse
und deren rückgekoppelte Wechselwirkungen. Der grösste Teil der seismischen Energie auf der
Erde wird durch Erdbeben an Subduktionszonen freigesetzt, wie das spektakulärste Beispiel des
Valdivia-Bebebens von 1960 im süd-zentral chilenischen Küstenbereich – mit M 9,5 das stärkste w
je gemessene seismische Ereignis, unterstreicht. Die Verteilungsmechanismen der
Oberflächendeformation während und zwischen solchen gewaltigen Vorgängen blieben jedoch
weitgehend unverstanden. Wegen seiner im Streichen veränderlichen Eigenschaften bei ähnlich
bleibenden plattenkinematischen Randbedingungen nimmt die Subduktionszone des Anden-
Orogens eine Schlüsselstellung für das Studium seismotektonischer Segmentationsprozesse ein.
Aktive Deformationsprozesse sind im zentralen Teil der Anden in grösserem Umfang
untersucht worden, während der mittlere bis südliche Abschnitt des Orogens bisher weniger
Bearbeitung fand. Die vorliegende Arbeit ist auf die seismotektonischen Prozesse des Neogen und
Spätquartärs in der Hauptkordillere und dem Küstenbereich der südlichen Zentralanden
konzentriert. In beiden Strukturzonen kann die Existenz bisher nicht bekannter aktiver Störungen
belegt werden und es werden Abschätzungen der Deformationsraten sowie der Kinematik
präsentiert. Diese Daten bilden desweiteren die Basis, um Aussagen zu grundlegenden
gebirgsbildenden Prozessen, der Verformungsverteilung und der gross-skaligen Segmentation zu
treffen.
Für das Neogen im untersuchten Abschnitt der Hauptkordillere sind strukturelle und
stratigraphische Geländebeobachtungen durch publizierte Isotopendaten ergänzt worden, so dass
vier Hauptphasen mit jeweils spezifischem t