University, Diss., 2001--Kiel.

University, Diss., 2004--Kiel.

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

University, Diss., 2004--Kiel.

Das Phänomen der Subduktion eines aktiven Spreizungszentrums an der Südspitze Südamerikas ist seit langem bekannt. Eine Vielzahl von geologischen Beobachtungen wurden mit diesem Phänomen in Verbindung gebracht, trotzdem ist der genaue Mechanismus der Beeinflussung des aktiven Kontinentalrandes weitgehend unbekannt. <br /> <br /> Die Zusammenhänge zwischen den Subduktionsprozessen und der Entwicklung der patagonischen Anden zwischen 47&#176;S und 48&#176;S stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Um eine detaillierte zeitliche Auflösung der zugrunde liegenden Prozesse untersuchen zu können, wurde die Entwicklung der Vorlandsedimentation, die thermische Entwicklung und die Heraushebung der Oberkruste des andinen Orogens untersucht und diese in Bezug zur Subduktion des Chile-Rückens gesetzt. <br /> <br /> Im Bereich von 47&#176;30&prime;S wurden die synorogenen Vorlandsedimente der Santa Cruz Formation sedimentologisch untersucht. Diese fluviatilen Sedimente wurden in einem reliefarmen Vorlandgebiet durch häufige Rinnenverlagerung und dem Aufbau von Rinnenumlagerungsgürteln in Kombination mit assoziierten großräumigen Überflutungsablagerungen akkumuliert. Sie stehen in einem engen Zusammenhang mit der orogenen Entwicklung im andinen Liefergebiet. Dies spiegelt sich in dem nach oben gröber werdenden Zyklus der Santa Cruz Formation wider. Die magnetostratigraphischen Untersuchungen einer 270 m mächtigen Sequenz aus der Basis der Santa Cruz Formation, die mit 329 Einzelproben aus 96 Probenpunkten beprobt wurde, ergab 7 Umkehrungen der geomagnetischen Feldrichtung. Mit Hilfe der geomagnetischen Polaritätszeitskala (CANDE AND KENT, 1995) konnte der untersuchte Abschnitt der Santa Cruz Formation zwischen 16.2 und 18.5 Ma datiert werden. Als Träger der Sedimentations-Remanenz konnten überwiegend Pseudoeinbereichs-Magentitpartikel und untergeordnet Hämatitpartikel identifiziert werden. <br /> <br /> An drei Profilen der Santa Cruz Formation wurden aus Sandsteinlagen unterschiedlicher stratigraphischer Position detritische Apatite mit Hilfe der thermochronologischen Spaltspurmethode untersucht. Die thermisch nicht rückgesetzten, detritischen Apatite spiegeln das Auftreten unterschiedlicher Altersdomänen im Liefergebiet der Sedimente wider. In der Kombination mit den geochemischen Gesamtgesteinsuntersuchungen der Sedimente und den petrographischen Untersuchungen der Sandsteine, die ein überwiegend andesitisch-vulkanisch geprägtes Liefergebiet widerspiegeln, kann nachgewiesen werden, dass die Erosion im Liefergebiet um 16.5 Ma in tiefere, deformierte Krustensegmente einschneidet. Dies bedeutet, dass aufgrund der Denudation im andinen Orogen erste Sockelgesteinseinheiten in den Bereich der Abtragung gelangen und dass dieser Eintrag um 12 bis 10 Ma ein Volumen einnimmt, das zu signifikanten Änderungen der Gesamtgesteinsgeochemie der Vorlandsedimente führt. <br /> <br /> Die thermochronologische Untersuchung von Apatiten aus rezenten topographischen Höhenprofilen aus der Kernzone der patagonischen Anden im Bereich von 47&#176;30&prime;S zeigen den Beginn einer beschleunigten Heraushebung des Orogens um 7.5 Ma. Aus diesen Untersuchungen kann eine Denudationsrate im Zeitraum der letzen 7 bis 8 Ma von 600 bis 650 m/Ma abgeschätzt werden. Die Modellierung der Apatit-Spaltspurergebnisse zeigt eine signifikante Temperaturerhöhung im Zeitraum zwischen 12 und 8 Ma um 20 bis 30&#176;C für diesen Krustenbereich, die mit der Subduktion des aktiven Chile-Rückens in diesem Bereich der Anden in Verbindung gebracht wird. <br /> <br /> Aus den gewonnen Daten kann ein Modell für die Entwicklung der patagonischen Anden seit dem frühen Miozän abgeleitet werden. In diesem Modell wird die orogene Entwicklung in den patagonischen Anden auf eine erhöhte Konvergenzrate zwischen der Nazca Platte und der Südamerikanischen Platte zurückgeführt, die für die Heraushebung und Denudation der Anden sowie für die damit verbundene Entwicklung im Vorlandbereich verantwortlich ist. Diese orogene Entwicklung wird in einer späten Phase durch die nordwärts wandernde Subduktion des aktiven Spreizungszentrums des Chile Rückens überprägt und beeinflusst. Das auf der Integration von geologischen, chronologischen sowie thermochronologischen Daten beruhende Modell kann zahlreiche geologische und geophysikalische Beobachtungen in diesem Bereich der südlichen Anden konsistent erklären. / The phenomenon of active ridge subduction to the continental margin of southern South America has been well known for a long time. A diversity of geological observations are related to this phenomenon, however, the exact mechanism of the influence of ridge subduction to the active continental margin is unknown.<br /> <br /> The aim of the present investigations is to determine connections between the subduction processes and the development of the Patagonian Andes between 47&#176;S and 48&#176;S. In order to reach that objective, the development of the foreland basin settings, the uplift of the upper crust of the Andean Orogeny, and the relation with the subduction of the Chile Ridge were investigated to obtain a detailed temporal resolution of the basic geological processes.<br /> <br /> Within the area of 47&#176;30'S the style and sedimentological pattern of the synorogenic foreland deposits of the Santa Cruz Formation were investigated. These fluvial sediments were accumulated in a foreland basin of small scale topography by frequent progradational avulsions, which were accompanied by deposition of avulsion-belt sediments associated with thick overbank deposits. <br /> <br /> The upward-coarsening is best explained by progradation of fan deposits during an eastwards advancement of the deformation in the western Andes at that time. <br /> <br /> Magnetostratigraphic investigations of a total of 329 drill cores, which were collected at 96 sites, show seven major reversals in a thick stratigraphic section of 270 m from the base of the Santa Cruz Formation. A comparison with the geomagnetic polarity timescale of Cande and Kent (1995) gives a sedimentation age between 16.2 and 18.5 Ma for the investigated section of the Santa Cruz Formation. The investigation of rock-magnetism predominantly indicates magnetite and subordinated haematite as the dominant carrier of remanence. All results from hysteresis data determination cluster in the coarse pseudo-single (PSD) to multi-domain (MD) grain size range of the Day Diagram (DAY ET AL. 1977)<br /> <br /> Fission track analysis was applied to detrital apatite of sandstone samples at different stratigraphic positions within three sections of the Santa Cruz Formation. The fission track ages of the not reseted detrital apatite are assumed to be related to the age of the sediment provenance area. In combination with sandstone petrographic investigations, which indicate a dominant andesitic volcanic source for the sediment and geochemical whole rock investigations can be shown, that the erosion cuts into the basement of the source area at 16.5 Ma. This means, that due to the denudation in the Andean Orogen first deformed basement units arrive into the sedimentation cycle. In the range of 12 to 10 Ma this sediment input attained such a volume, that the whole-rock geochemistry of the sediments was changed .<br /> <br /> The thermochronological investigations of apatites from vertical profiles covering the largest elevation range of the central zone of the Patagonian Andes within the range of 47&#176;30'S show the beginning of an accelerated cooling and related uplift phase of the orogen at approximately 7.5 Ma. The calculated denudation rate in the period of the last 7 to 8 Ma ranges from 600 to 650 m/Ma. The modelling of apatite fission-track data shows a significant reheating in the range of 20 to 30&#176;C between 12 and 8 Ma for the upper crust. This is interpreted as an influence of the active Chile rise mid-oceanic spreading center on the overriding plate.<br /> <br /> The modelling of the apatite fission-track results shows a significant rise in temperature between 12 and 8 Ma around 20 to 30&#176;C for this crust area, which is associated with the subduction of the active Chile back in this area of the Andes. <br /> <br /> A model has been derived from the obtained data to explain the evolution of the Patagonian Andes since the early Miocene. In this model, orogeny is attributed to the increasing convergence rate between the Nazca plate and South America and its response due to uplift and denudation of the Patagonian Andes and the development of the adjacent foreland basin. In a late phase, orogeny is influenced and overprinted by the northward migration of the Chile ridge subduction. The model consistently explains many of the geological and geophysical observations.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden die Hangkarbonate von zwei miozänen heterozoischen Karbonatsystemen näher untersucht: die Malta Inselgruppe (zentrales Mittelmeer) und das Marion Plateau (Nordost Australien, ODP Leg 194). Die Auswirkungen der mittelmiozänen Abkühlung (Mi3), die auf 13.6 Ma datiert wird und starken Einfluß auf die Sauerstoffisotopenkurve hatte, in den oben genannten Flachwassersystemen stellten das Ziel dieser Arbeit dar. Dieses Abkühlungsereignis beeinflußte außerdem sehr stark die ozeanographischen und klimatischen Muster, die im weiteren Verlauf zum modernen Eishausklima führten. So steht insbesondere die Vereisung von Ostantarktika mit diesem Ereignis in Verbindung. Diese Arbeit untersucht den Einfluß dieses Ereignisses auf Flachwassersysteme, um vorliegende Untersuchungen in Tiefwassersystemen zu ergänzen und so zum globalen Verständnis des miozänen Klimawechsels beizutragen.<br /> <br /> Die Profile auf der Maltainselgruppe wurden mit Hilfe von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen Auswertungen im Gesamtgestein, Gesamtgesteinmineralogie, Tonmineralanalyse und organischer Geochemie untersucht. Durch einen Wechsel von karbonatischeren zu tonigeren Sedimenten beeinflußte das mittelmiozäne Abkühlungsereignis die Sedimentation in diesem Gebiet sehr stark. Weiterhin wurde beobachtet, daß jede Phase der antarktischen Vereisung, nicht nur das mittelmiozäne Hauptereignis, zu einem erhöhten terrigenen Eintrag in den Hangsedimenten der Maltainselgruppe führte. Akkumulationsraten zeigen, daß dieser erhöhte terrigene Eintrag den einzelnen Vereisungsperioden zusammenhängt und die karbonatischen Sedimente durch tonreiche Sedimente &ldquo;verunreinigt&rdquo; wurden. Das daraufhin entwickelte Modell erklärt diesen erhöhten terrigenen Eintrag mit einer nordwärtigen Verlagerung der innertropischen Konvergenzzone durch die Bildung von kalten, dichten Luftmassen, die zu verstärkten Niederschlägen in Nordafrika führten. Diese verstärkten Niederschläge (oder verstärkter afrikanischer Monsun) beeinflußten die kontinentale Verwitterung und den Eintrag, mit der Folge, daß verstärkt terrigene Sedimente im Bereich der Hangsedimente der Maltainselgruppe abgelagert wurden. Die tonreichen Intervalle weisen Ähnlichkeiten zu sapropelischen Ablagerungen auf, was mit Hilfe der Spektral analyse des Karbonatgehalts und der geochemischen Analyse des organischen Materials gezeigt wurde. <br /> <br /> Auf dem Marion Plateau wurden die Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopenkurven anhand von Foraminiferen der Gattung Cibicidoides spp. rekonstruiert. Der Karbonatgehalt wurde mit Hilfe einer chemischen Methode (Coulometer) ermittelt. Genauso wie die Sedimente der Maltainselgruppe beeinflußte das mittelmiozäne Abkühlungsereignis (Mi3) auch die Sedimente auf dem Marion Plateau. So kam es bei 13,8 Ma, in etwa zur Zeit der Vereisung von Ostantarktika, zu einem Abfall der Karbonatakkumulationsraten. Weiterhin traten Änderungen in der Zusammensetzung der Sedimente auf, so nehmen neritische Karbonatfragmente ab, der planktische Foraminiferengehalt nimmt zu und es wurden verstärkt Quarz und Glaukonit abgelagert. Ein überraschendes Ergebnis ist die Tatsache, daß der große N12-N14 Meeresspiegelabfall um 11,5 Ma die Akkumulationsraten der Karbonate auf dem Hang nicht beeinflußte. Dieses Ergebnis ist umso erstaunlicher, da Karbonatplattformen normalerweise sehr sensitiv auf Meeresspiegeländerungen reagieren. Der Grund, warum sich die Karbonatakkumulationsraten schon um 13,6 Ma (Mi3) und nicht erst um 11,5 Ma (N12-N14) verringerten, liegt in der Tatsache, daß die ozeanischen Strömungen die Karbonatsedimentation auf dem Hang des Marion Plateau schon im Miozän kontrollierten. Das mittelmiozäne Ereignis (Mi3) erhöhte die Stärke diese Strömungen und als eine Ursache wurde die Karbonatakkumulation auf den Hängen reduziert. Die Amplitude des N12-N14 Meeresspiegelabfalls liegt bei 90 m unter der Berücksichtigung der Sauerstoffisotopendaten aus der Tiefsee und Berechnungen des Meeresspiegels anhand des &ldquo;coastal onlaps&rdquo;, die während Leg 194 gemacht wurden. Die Isotopendaten dieser Arbeit weisen hingegen auf einen verringerten Meeresspiegelabfall von 70 m hin.<br /> <br /> Als allgemeine Schlußfolgerung kann gesagt werden, daß der mittelmiozäne Klimaumschwung die Karbonatsysteme zumindest an den beiden untersuchten Lokalitäten beeinflußt hat. Allerdings waren die Auswirkungen sehr von den unterschiedlichen lokalen Gegebenheiten abhängig. Insbesondere wirkten sich die Anwesenheit einer Landmasse (Malta) und die Abwesenheit einer Barriere vor den Einflüssen des offenen Ozeans (Marion Plateau) stark auf die Ablagerung der Karbonate aus. / This study investigated the slope carbonates of two Miocene carbonate systems: the Maltese Islands (in the Central Mediterranean) and the Marion Plateau (Northeastern Australia, drilled during ODP Leg 194). The aim of the study was to trace the impact of the Miocene cooling steps (events Mi1-Mi6) in these carbonate systems, especially the Mi3 event, which took place around 13.6 Ma and deeply impacted the marine oxygen isotope record. This event also profoundly impacted oceanographic and climatic patterns, eventually leading to the establishment of the modern ice-house world. In particular, East Antarctica became ice covered at that period. The rational behind the present study was to investigate the impact that this event had on shallow water systems in order to complement the deep-sea record and hence acquire a more global perspective on Miocene climate change.<br /> <br /> The Maltese Islands were investigated for trends in bulk-rock carbon and oxygen isotopes, as well as bulk-rock mineralogy, clay minerals analysis and organic geochemisty. Results showed that the mid Miocene cooling event deeply impacted sedimentation at that location by changing sedimentation from carbonate to clay-rich sediments. Moreover, it was discovered that each phase of Antarctic glaciation, not just the major mid Miocene event, resulted in higher terrigenous input on Malta. Mass accumulation rates revealed that this was linked to increased runoff during periods when Antarctica was glaciated, and thus that the carbonate sediments were &ldquo;diluted&rdquo; by clay-rich sediments. The model subsequently developed to explain this implies feedback from Antarctic glaciations creating cold, dense air masses that push the ITCZ Northward, thus increasing precipitation on the North African subcontinent. Increased precipitation (or stronger African monsoon) accelerated continental weathering and runoff, thus bringing more terrigenous sediment to the paleo-location of the slope sediments of Malta. Spectral analysis of carbonate content and organic matter geochemical analysis furthermore suggest that the clay-rich intervals are similar to sapropelic deposits.<br /> <br /> On the Marion Plateau, trends in oxygen and carbon isotopes were obtained by measuring Cibicidoides spp foraminifers. Moreover, carbonate content was reconstructed using a chemical method (coulometer). Results show that the mid Miocene cooling step profoundly affected this system: a major drop in accumulation rates of carbonates occurs precisely at 13.8 Ma, around the time of the East Antarctic ice sheet formation. Moreover, sedimentation changes occurred at that time, carbonate fragments coming from neritic environments becoming less abundant, planktonic foraminifer content increasing and quartz and reworked glauconite being deposited. Conversely, a surprising result is that the major N12-N14 sea-level fall occurring around 11.5 Ma did not impact the accumulation of carbonates on the slope. This was unexpected since carbonate platform are very sensitive to sea-level changes. The model developed to explain that mass accumulation rates of carbonates diminished around 13.6 Ma (Mi3 Event) instead of 11.5 Ma (N12-N14 event), suggests that oceanic currents were controlling slope carbonate deposition on the Marion Plateau prior to the mid-Miocene, and that the mid Miocene event considerably increase their strength, hence reducing the amount of carbonate being deposited on slope sites. Moreover, by combining results from deep-sea oxygen isotopes with sea-level estimates based on coastal onlaps made during Leg 194, we constrain the amplitude of the N12-N14 sea-level fall to 90 meters. When integrating isotopic results from this study, this amplitude is lowered to 70 meters.<br /> <br /> A general conclusion of this work is that the mid Miocene climatic shift did impact carbonate systems, at least at the two locations studied. However, the nature of this response was highly dependant on the regional settings, in particular the presence of land mass (Malta) and the absence of a barrier to shelter from the effects of open ocean (Marion Plateau).

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