Neogene tectonics and erosion in the landscape evolution of the Central Chile Andes
Tectonique, érosion et évolution du relief dans les Andes du Chili Central au cours du Néogene
Résumé
The structural evolution related to the uplift of the Andean Cordillera between 33 and 35ºS is well known in the eastern Argentinean flank of the belt, in which it has been developed an east vergent thrust system. In turn, deformation in the Chilean flank of the chain has not been very well constrained and several discrepancies exist in order to explain uplift and Central Depression development.
This study shows that in the Andes of Central Chile, compressive deformation consisted in a tectonic inversion accommodating ca. 16 km shortening between 22 and 16 Ma. This shortening is much lesser than that accumulated in the eastern flank of the chain (1/5 of total shortening), in which more than 70 km of shortening has been accommodated between 16 and 4 Ma.
Compressive tectonics and Andean uplift in Central Chile were diachronic. Surface uplift mainly occurred between 8 and 4 Ma, that is, several million years after deformation occurred in the Chilean flank of the belt. In fact, surface uplift essentially was the result of deep thickening because of an east-vergent detachment fault located at 10 km depth beneath the Principal Cordillera, which connects to the Benioff zone at 60 km depth through a ramp. This “ramp-flat” structure and its geometry are both controlled by lithospheric rheology. Moreover, this structure would have been essential during Andean evolution because it controls strain and stress transference from the subduction zone toward the continent, and because the flat segment facilitates shortening transfer at deep from higher deformed zones at surface. Therefore, this deformation mode in “simple-shear” would be the responsible for forearc uplift not only in Central Chile, but also along most of the Andean margin.
Erosional response to uplift has been very slow. Using fission-tracks determinations and the ages of volcanic layers that recorded the relief evolution, incision in the highest sectors of the Principal Cordillera occurred between 2 and 6 m.y. after surface uplift. Lithological contrasts, which control erosional upstream propagation, favored the development of a valley parallel to the coastline due to the river piracy exerted by great rivers over headwaters of streams that crossed through higher resistance lithology. This process was analyzed using numerical algorithms and analytic solutions of the stream power-law, evidencing the physical feasibility of this model. Therefore, the Central Depression would not be a tectonic feature sensu stricto, but the result of the development of a lateral drainage network strongly controlled by the lithologic distribution and being the final stage of the erosive response to the Late Miocene high and rapid surface uplift.
The major episode of uplift, which occurred after 10 Ma, was not an isolate phenomenon occurring in Central Chile, but it has been registered along most the Andean Cordillera. Even though at this time the plate convergence rate diminished, the absolute velocity of South America increased, thus it seems that absolute plate velocity of continents is the first-order process on mountain building as actually it has been proposed.
Finally, the Central Chile Andes constitutes a transitional region between two climatic and morphologic regions: to the north (dryer), constructional process rules, whereas destructional processes do it to the south (more humid). This contrast contributes to the absence of the Central Depression north of 33ºS, even though the influence of the subduction geometry, which became flat to the north, would also contribute to this evolution.
This study shows that in the Andes of Central Chile, compressive deformation consisted in a tectonic inversion accommodating ca. 16 km shortening between 22 and 16 Ma. This shortening is much lesser than that accumulated in the eastern flank of the chain (1/5 of total shortening), in which more than 70 km of shortening has been accommodated between 16 and 4 Ma.
Compressive tectonics and Andean uplift in Central Chile were diachronic. Surface uplift mainly occurred between 8 and 4 Ma, that is, several million years after deformation occurred in the Chilean flank of the belt. In fact, surface uplift essentially was the result of deep thickening because of an east-vergent detachment fault located at 10 km depth beneath the Principal Cordillera, which connects to the Benioff zone at 60 km depth through a ramp. This “ramp-flat” structure and its geometry are both controlled by lithospheric rheology. Moreover, this structure would have been essential during Andean evolution because it controls strain and stress transference from the subduction zone toward the continent, and because the flat segment facilitates shortening transfer at deep from higher deformed zones at surface. Therefore, this deformation mode in “simple-shear” would be the responsible for forearc uplift not only in Central Chile, but also along most of the Andean margin.
Erosional response to uplift has been very slow. Using fission-tracks determinations and the ages of volcanic layers that recorded the relief evolution, incision in the highest sectors of the Principal Cordillera occurred between 2 and 6 m.y. after surface uplift. Lithological contrasts, which control erosional upstream propagation, favored the development of a valley parallel to the coastline due to the river piracy exerted by great rivers over headwaters of streams that crossed through higher resistance lithology. This process was analyzed using numerical algorithms and analytic solutions of the stream power-law, evidencing the physical feasibility of this model. Therefore, the Central Depression would not be a tectonic feature sensu stricto, but the result of the development of a lateral drainage network strongly controlled by the lithologic distribution and being the final stage of the erosive response to the Late Miocene high and rapid surface uplift.
The major episode of uplift, which occurred after 10 Ma, was not an isolate phenomenon occurring in Central Chile, but it has been registered along most the Andean Cordillera. Even though at this time the plate convergence rate diminished, the absolute velocity of South America increased, thus it seems that absolute plate velocity of continents is the first-order process on mountain building as actually it has been proposed.
Finally, the Central Chile Andes constitutes a transitional region between two climatic and morphologic regions: to the north (dryer), constructional process rules, whereas destructional processes do it to the south (more humid). This contrast contributes to the absence of the Central Depression north of 33ºS, even though the influence of the subduction geometry, which became flat to the north, would also contribute to this evolution.
Les structures tectoniques responsables du soulèvement de la Cordillère des Andes à la latitude de Santiago du Chili sont bien connues sur le versant argentin de la chaîne, où s'est développé au cours du Néogène un système chevauchant à vergence Est. Sur le flanc Pacifique de la Cordillère, par contre, les structures tectoniques sont mal connues, et il n'y a pas de consensus pour expliquer le soulèvement de la Cordillère Principale et la formation de la Dépression Centrale dans laquelle s'est installée la ville de Santiago et la majeure partie de la population du Chili. Nous montrons que le raccourcissement dans les Andes du Chili Central a débuté par une inversion tectonique à l'ouest de la chaîne qui a accommodé 16 km de raccourcissement entre 22 et 16 Ma. Ce raccourcissement fait suite à l'extension oligocène, responsable de la formation du bassin extensif de Abanico, lequel a été comblé par de plus de 6 km de roches volcano-sédimentaires. Cette quantité de raccourcissement reste modeste par rapport à celle accommodée sur le flanc oriental de la chaîne, principalement coté argentin, où la tectonique compressive est responsable de ~70 km de raccourcissement survenus entre 16 et 4 Ma.
Tectonique compressive et soulèvement des Andes chiliennes n'ont pas été synchrones. Le soulèvement a eu lieu principalement entre 8 et 4 Ma, c'est-à-dire plusieurs millions d'années après l'épisode compressif majeur survenu sur le versant chilien des Andes centrales. En effet, le soulèvement des Andes du Chili central résulte essentiellement du fonctionnement d'un chevauchement majeur à vergence Est, qui émerge en surface en Argentine, et qui est issu du plan de Bénioff à 60 km de profondeur. Cette structure est articulée en plats et rampes, et sa géométrie est contrôlée par la stratification rhéologique de la lithosphère continentale. Cette structure joue un rôle fondamental pendant le développement andin car elle contrôle le transfert des déformations et des contraintes depuis la zone de subduction vers le continent. On observe que l'épisode majeur de soulèvement de la chaîne est corrélé avec la mise en place des porphyres cuprifères géants (gisement de El Teniente) du Chili central.
La réponse érosive au soulèvement de la chaîne a été très lente. Nous montrons à l'aide d'âges d'exhumation obtenus par traces de fission sur apatites, et à l'aide de la datation de niveaux volcaniques déposés dans les vallées au cours de leur formation, que l'incision des vallées dans la Cordillère Principale a eu lieu plusieurs millions d'années après le soulèvement de la chaîne. Les contrastes lithologiques, en contrôlant la vitesse d'érosion, ont favorisé le développement d'une vallée parallèle à la côte, entraînant la capture des cours d'eau descendant de la haute chaîne par quelques fleuves majeurs. Ce phénomène a été modélisé à l'aide du code de calcul APERO. Nous pensons donc que la Dépression Centrale n'est pas d'origine tectonique sensu-stricto, mais qu'elle résulte aussi de la mise en place du réseau de drainage et de son contrôle par la lithologie. Son creusement provient de la réponse érosive au grand soulèvement du Miocène supérieur.
L'épisode majeur de soulèvement qui a lieu vers 10 Ma ne concerne pas seulement le Chili central. Il s'observe également dans les Andes centrales (Altiplano) et dans l'avant-arc du Pérou central. Pourtant, la vitesse de convergence entre les plaques Nazca et le continent diminue à cette époque. Par contre, la vitesse absolue vers l'ouest de la plaque Amérique du sud augmente, ce qui suggère que la vitesse absolue du continent, plus que la vitesse de convergence, exerce un contrôle majeur sur l'orogenèse andine.
Enfin, le Chili Central constitue une région de transition entre deux zones climatiques et géomorphologiques : la région nord, plus sèche, est dominée par les processus constructifs tandis que les processus érosifs sont prépondérants dans la région sud. Ce contraste contribue à la disparition de la Dépression Centrale au nord de 33°S, même si l'influence de la géométrie de la subduction, qui passe à une subduction horizontale au nord de 33°S est aussi à prendre en compte.
Tectonique compressive et soulèvement des Andes chiliennes n'ont pas été synchrones. Le soulèvement a eu lieu principalement entre 8 et 4 Ma, c'est-à-dire plusieurs millions d'années après l'épisode compressif majeur survenu sur le versant chilien des Andes centrales. En effet, le soulèvement des Andes du Chili central résulte essentiellement du fonctionnement d'un chevauchement majeur à vergence Est, qui émerge en surface en Argentine, et qui est issu du plan de Bénioff à 60 km de profondeur. Cette structure est articulée en plats et rampes, et sa géométrie est contrôlée par la stratification rhéologique de la lithosphère continentale. Cette structure joue un rôle fondamental pendant le développement andin car elle contrôle le transfert des déformations et des contraintes depuis la zone de subduction vers le continent. On observe que l'épisode majeur de soulèvement de la chaîne est corrélé avec la mise en place des porphyres cuprifères géants (gisement de El Teniente) du Chili central.
La réponse érosive au soulèvement de la chaîne a été très lente. Nous montrons à l'aide d'âges d'exhumation obtenus par traces de fission sur apatites, et à l'aide de la datation de niveaux volcaniques déposés dans les vallées au cours de leur formation, que l'incision des vallées dans la Cordillère Principale a eu lieu plusieurs millions d'années après le soulèvement de la chaîne. Les contrastes lithologiques, en contrôlant la vitesse d'érosion, ont favorisé le développement d'une vallée parallèle à la côte, entraînant la capture des cours d'eau descendant de la haute chaîne par quelques fleuves majeurs. Ce phénomène a été modélisé à l'aide du code de calcul APERO. Nous pensons donc que la Dépression Centrale n'est pas d'origine tectonique sensu-stricto, mais qu'elle résulte aussi de la mise en place du réseau de drainage et de son contrôle par la lithologie. Son creusement provient de la réponse érosive au grand soulèvement du Miocène supérieur.
L'épisode majeur de soulèvement qui a lieu vers 10 Ma ne concerne pas seulement le Chili central. Il s'observe également dans les Andes centrales (Altiplano) et dans l'avant-arc du Pérou central. Pourtant, la vitesse de convergence entre les plaques Nazca et le continent diminue à cette époque. Par contre, la vitesse absolue vers l'ouest de la plaque Amérique du sud augmente, ce qui suggère que la vitesse absolue du continent, plus que la vitesse de convergence, exerce un contrôle majeur sur l'orogenèse andine.
Enfin, le Chili Central constitue une région de transition entre deux zones climatiques et géomorphologiques : la région nord, plus sèche, est dominée par les processus constructifs tandis que les processus érosifs sont prépondérants dans la région sud. Ce contraste contribue à la disparition de la Dépression Centrale au nord de 33°S, même si l'influence de la géométrie de la subduction, qui passe à une subduction horizontale au nord de 33°S est aussi à prendre en compte.