Die Sierras Pampeanas in Zentral- und Nordwestargentinien stellen ein ausgeprägtes morphotektonisches Merkmal im Bereich der flach subduzierenden Nazca Platte unter die Südamerikanische Platte zwischen ~27° S und ~33° S dar. Diese flache Subduktion wurde bisher als Ursache für die Heraushebung und Deformation von Höhenzügen innerhalb der Sierras Pampeanas während des Neogens angenommen. Auf Basis von Apatit Spaltspurendatierungen, Zirkon und Apatit (U-Th)/He Thermochronometern sowie K-Ar Datierungen von Störungsletten werden in der vorliegenden Arbeit neue thermochronologische Daten vorgestellt, deren Interpretation eine veränderte Modellvorstellung bezüglich der thermischen, strukturellen und morphotektonischen Entwicklung der argentinischen Sierras Pampeanas aufzeigt. So ist die Abkühlung unter ~175 °C in den Östlichen und Westlichen Sierras Pampeanas auf eine Permo-Triassische flache Subduktion innerhalb dieser Bereiche zurückzuführen, während die Entwicklung des nördlichen Teils des Arbeitsgebietes davon nicht beeinflusst wurde. Im allgemeinen fand während des Mesozoikums weiterhin Abkühlung und Exhumation statt. Nur lokal begrenzte Gebiete, wie z.B. die Sierra de El Gigante, erfuhren eine Wiedererwärmung durch Sedimentablagerung in Riftbecken, die durch Extension im Bereich von reaktivierten spätpaläozoischen Hauptstrukturen gebildet wurden. Die finale Abkühlung und Exhumation zu oberflächennahen Temperaturen erfolgte in den Östlichen und Westlichen Sierras Pampeanas zwischen der späten Kreide und dem Paläogen, wodurch die Theorie, dass diese Bereiche schon seit mindestens der späten Kreide durch ein positives Relief charakterisiert waren, das während des Neogens nur noch unwesentlich weiter ausgebildet wurde, unterstützt wird. Dieses widerspricht der bisher postulierten Modellvorstellung, dass die Heraushebung der pampeanischen Höhenzüge im wesentlichen durch die andine, flache Subduktion begründet sei. Der Bereich der nördlichen Sierras Pampeanas ist dem gegenüber durch eine känozoische Abkühlungsgeschichte charakterisiert, die durch die Heraushebung des Puna Plateaus beeinflusst gewesen ist. In diesem Gebiet geht der finalen Abkühlung und Exhumation im späten Miozän eine Wiedererwärmung, bedingt durch Sedimentablagerung, während des Paläogens und des frühen Neogens voraus.

The Andean Cordilleran orogenic system stretches over 7,000 km along the western margin of South America and serves as a useful laboratory to evaluate the causes of spatial and temporal variations in orogenic processes. Although the geology of the Andean margin is fundamentally controlled by the subduction of the Nazca plate beneath the South American plate, the style of deformation, basin morphology, exhumation history, and volcanic activity along this margin are remarkably heterogeneous in both time and space. My Ph.D. work presents new data from the Miocene – Pliocene along-strike depocenters bounding the basement block uplifts of the Sierras Pampeanas and the fold and thrust belt of the Andean Precordilleran in the south Central Andes between ca. 27.5°S and 30.5°S. I use new observations from sedimentology, detrital zircon U-Pb data, and low-temperature thermochronology to evaluate the mechanisms driving basin organization, sedimentation, and exhumation. Geohistory analysis supports flexurally controlled basins between ca. 18 and 6 Ma with detritus derived exclusively from the active Precodillera to the west. Accelerated deformation in the Precordillera produced accelerated sedimentation from ca. 10 – 8.5 Ma. A deceleration of sedimentation from ca. 6 – 5 Ma was most likely controlled by heightened aridity. Around the same time, low-temperature thermochronometers record the widespread exhumation of the foreland basin system for over 300 km along strike, this may be driven by dynamically controlled uplift related to Miocene flat-slab subduction. Low-temperature thermochronometers suggest that the geothermal gradient throughout the late Miocene was ca. 35°C/km – 25°C/km and had not been significantly depressed as previously proposed. Granite-cored ranges in the Sierras Pampeanas were sampled for low-temperature thermochronology to constrain the exhumation history of the region. Modeling of both apatite fission track and apatite (U-Th-Sm)/He thermochronometers demonstrates that these rocks have been close to the surface since the late Paleozoic. Reheating during the Cretaceous is attributed to elevated geothermal gradients due to back-arc rifting. Final exhumation (1- 2 km) occurred in the mid to late Miocene and may have been controlled by the onset of flat-slab subduction. These results suggest that the Sierras Pampeanas may have had inherited positive topography that has controlled basin organization and sediment distribution patterns since the Paleozoic.

The timing and kinematics of terrane accretion and translation on the Paleozoic margin of Gondwana remains contentious. Multiple models exist for the accretion of the MARA and Precordillera terranes, but deviate in timing and kinematics of accretion, the nature of involved terranes, Laurentian versus Gondwanan origin, and the extent of translation along the margin. The Valle Fertil Fault Zone (VFFZ) marks the suture zone between the Pampean margin and the MARA terrane, which was accreted and translated via thrusting or transpression between 515-400 Ma. The VFFZ projects northward to the Sierra de Maz region, which is transected by ductile shear zones that lie along strike with the boundary and separate assemblages with varied magmatic and metamorphic history. Sierra de Maz is underlain by Mesoproterozoic-Neoproterozoic igneous and metamorphic units assigned to the MARA terrane, known as the Maz and El Taco Complexes, which are juxtaposed with El Zaino Complex, a clastic assemblage that has a simple metamorphic history. Ramaditas lies to the east of the main sierra, and is comprised of granulite facies units with poorly constrained origin. Characterization of Sierra de Maz and Ramaditas involved U/Pb analysis of 17 igneous zircon and 2 in-situ titanite samples by SHRIMP-RG methods, 6 igneous zircon and 8 detrital zircon samples by LA-ICP-MS methods, and trace element analyses of selected samples. Microstructural analyses and Ti-in-Zr geothermometry were used to analyze the timing of metamorphic conditions and kinematics. This collaborative study was performed in conjunction with petrologic analysis, geochronologic analyses of Lu/Hf garnet and Ar/Ar suites, and detailed structural analyses executed by two M.S. students from Western Washington University and University of California-Davis. The U/Pb data suggests that the Proterozoic basement and Maz Shear Zone experienced widespread metamorphism and deformation from ca. 430 to 420 Ma in the Maz and El Zaino Complexes, and from ca. 430-460 Ma in the Taco Complex and Ramaditas. Metamorphic assemblages and kinematic indicators suggest this took place at granulite to greenschist facies conditions in a sinistral transpressional regime, with localized dextral slip. The magmatic and metamorphic history is similar to that observed west of the VFFZ to the south, suggesting that Sierra de Maz records a complex late Ordovician to early Devonian history of convergence and translation of the MARA terrane along the Pampean margin.

La faja máfica-ultramáfica La Jovita-Las Águilas comprende un conjunto de intrusiones ígneas que se encuentran emplazadas en el faldeo oriental de la Sierra de Grande de San Luis. Esta faja se extiende aproximadamente 100 km en dirección NNE-SSO con un ancho que no supera los 5 km. En la porción sur de la misma, entre el río Los Manantiales y el arroyo El Puestito, afloran los cuerpos intrusivos Escuela Las Pircas, El Fierro, Virorco y Las Higueras, los cuales constituyen el objeto de estudio del presente trabajo. Estos cuerpos son de gran interés debido a que son intrusiones de tipo estratificadas tales como Skaergaard (Groenlandia), Kabanga (Tanzania), Jinchuan (China) y Bjerkreim-Sokndal (Noruega), entre otras. La importancia que conlleva el estudio de éste tipo de intrusiones se debe a son portadoras de mineralizaciones, las cuales en los cuerpos intrusivos de la faja La Jovita-Las Águilas están representadas por sulfuros de Fe, Ni, Cu y Co y minerales del grupo del platino. Más allá de su significado económico, los cuerpos intrusivos estratificados presentan secuencias estratigráficas ígneas que constituyen una valiosa herramienta para el estudio de procesos y mecanismos capaces de generar estratificación ígnea, tales como cristalización fraccionada, recarga y mezcla de magmas, convección, compactación y/o fluctuaciones en las tasas de nucleación y crecimiento cristalino, entre otros. El avance en el conocimiento de este tipo de intrusiones máficas-ultramáficas requiere definir la estratigrafía ígnea de los mismos en forma detallada. Para ello, se llevaron a cabo estudios que comprendieron la determinación de relaciones de campo, yacencia, petrografía macro y microscópica, química mineral y geoquímica de roca total de las intrusiones aflorantes en la zona de estudio, lo que permitió definir diferentes unidades estratigráficas en las mismas. Se determinó que el cuerpo intrusivo Escuela Las Pircas está compuesto por cuatro unidades estratigráficas. El cuerpo intrusivo El Fierro está conformado por una única unidad estratigráfica. El cuerpo intrusivo Virorco está constituido por tres sectores estratigráficos diferentes: el sector este, representado por una única unidad, el sector central, compuesto por dos unidades, y el sector oeste, conformado por tres unidades. Por su parte, el cuerpo intrusivo Las Higueras está compuesto por dos sectores estratigráficos: el sector principal, integrado por tres unidades, y el sector marginal, representado por una única unidad. Las correlaciones estratigráficas entre estas unidades permitieron confeccionar un modelo estratigráfico ígneo conformado por dos series: la Serie Estratificada, constituida por tres zonas estratigráficas (zona no aflorante, zona de transición y zona superior) y la Serie de Borde Marginal, compuesta por dos zonas estratigráficas (zona marginal sin estratificación y la zona marginal estratificada). La génesis de la estratificación reconocida en la porción estudiada de la Serie Estratificada está vinculada a variaciones de las tasas de nucleación y crecimiento cristalino de un magma gravitacionalmente estratificado, mientras que en la Serie de Borde Marginal, es el resultado de un fuerte gradiente térmico entre el margen de enfriamiento y la roca de caja (zona marginal sin estratificación) y de variaciones composicionales y de temperatura del liquidus en el frente de cristalización (zona marginal estratificada). / La Jovita-Las Águilas mafic-ultramafic belt comprises an assemblage of igneous intrusions outcroping on the eastern slope of the Sierra Grande de San Luis. This belt extends for about 100 km in NNE-SSO direction and its width does not exceed 5 km. This work focusses on the outcrops of the southern portion of this belt, between Los Manantiales river and El Puestito stream, comprising Escuela Las Pircas, El Fierro, Virorco and Las Higueras intrusives. These bodies are of great interest owing to the fact that they are layered intrusions such as Skaergaard (Greenland), Kabanga (Tanzania), Jinchuan (China) and Bjerkreim-Sokndal (Norway), among others. The significance that entails the study of these kind of intrusions is due to the fact that they carry mineralization, which in La Jovita-Las Águilas intrusive bodies is represented by Fe, Ni, Cu and Co sulphides and platinum group minerals. Besides their economic significance, layered intrusive bodies exhibit igneous stratigraphic sequences that represent a valuable tool for studying processes and mechanisms capable of generating igneous stratification, such as fractional crystallization, magma replenishment and mixing, convection, compactation and/or nucleation and crystal grow rate fluctuations, among others. The increase in the knowledge of layered mafic-ultramafic intrusions requires defining their igneous stratigraphy in detail. To achieve this goal, these research comprised the study of field relationships, yacence, macro and microscopic petrography, mineral chemistry and bulk rock geochemistry analyses, that allowed to define different stratigraphic units. It was established that Escuela Las Pircas intrusive body is composed by four stratigraphic units. El Fierro intrusive body is formed by one stratigraphic unit. Virorco intrusive body is constituted by three different stratigraphic sectors: the east sector, represented by one unit; the central sector, composed by two units, and the west sector, constituted by three units. Las Higueras intrusive body is constituted by two stratigraphic sectors: the main sector, composed by three units, and the marginal sector, represented by one unit. The stratigraphic correlationships among these units allowed to construct an igneous stratigraphic model composed by two series: Layered Series, constituted by three stratigraphic zones (hidden zone, transition zone and upper zone) and Marginal Border Series, composed by two stratigraphic zones (unlayered marginal zone and layered marginal zone). The genesis of the layering recognized in the Layered Series studied portion is related to nucleation and crystal grow rate fluctuations in a gravitationally layered magma, while in the Marginal Border Series, it is the result of a strong temperature gradient between the chilled margin and the country rock (unlayered marginal zone) and of compositional and liquidus temperature variations in the crystallization front (layered marginal zone).

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Die hier präsentierte Studie umfasst detaillierte Untersuchungen zur thermochronologischen, strukturellen sowie morphologischen Entwicklung der Östlichen und Westlichen Sierras Pampeanas in Argentinien, zwischen 26°S to 34°S südlicher Breite. Kapitel 3 diskutiert thermochronologische Daten (Apatit Spaltspuren, Zirkon und Apatit (U-Th)/He) sowie K-Ar Illit-Datierung an Störungsletten aus der Sierra de Comechingones sowie Ar-Ar Alter an Vulkaniten des vulkanischen Gürtels von San Luis (Östliche Sierras Pampeanas). K-Ar Illitalter belegen den Beginn spröder Deformation vor etwa 340 Ma. Thermochronologische Daten dokumentieren geringe Exhumationsraten seit dem späten Paläozoikum sowie eine maximale Exhumierung von etwa 2,3 km seit der späten Kreidezeit. Ar-Ar Datierungen an vulkanischen Gesteinen des San Luis Vulkanischen Gürtels ergeben Alter zwischen 7,54 Ma und 1,91 Ma. Dies belegt ein ostwärts gerichtetes Fortschreiten der magmatischen Front, welches mit einer Verflachung des Subduktionswinkels der Nazca Platte unter die Südamerikanische Platte vor etwa 11.2 Ma assoziiert wird. Darüber hinaus deuten die hier präsentierten thermochronologischen Daten an, dass der Anteil Andiner Exhumation und Hebung an der Gesamthebung und Exhumation der Sierras Pampeanas von geringer ist als gemeinhin angenommen. Kapitel 4 präsentiert Ergebnisse von Niedrig-Temperatur thermochronologischen Untersuchungen sowie K-Ar Alter retrograd gewachsener Illite aus spröden Störungszonen der Sierra de San Luis (Östliche Sierras Pampeanas). K-Ar Illitalter belegen eine lang andauernde Aktivität spröder Deformation welche unmittelbar nach dem Ende der Chanic Phase der Famatinischen Orogenese vor etwa 320 Ma einsetzte und zeitlich mit dem Übergang von duktilen zu spröden Deformationsmechanismen übereinstimmt. Jüngste Illitlater liegen zwischen 222-172 Ma. Diese können als Abkühlalter des Grundgebirges unter die zur Illitbildung benötigten Temperaturen interpretiert werden, jedoch nicht als Ende der spröden Deformation. Diese Interpretation wird von den Ergebnissen thermochronologischer Untersuchungen bestätigt. (U-Th)/He Datierungen an Apatiten und Zirkonen, sowie Apatit Spaltspuranalysen dokumentieren die Exhumation seit dem Perm, welche möglicherweise in Verbindung zur San Rafael Orogenese steht. Die ermittelten Abkühlalter belegen geringe Exhumationsraten sowie die damit einhergehende lange Verweildauer der Proben in den Temperaturbereichen der partial annealing bzw. parial retention zone von Apatit und Zirkon (PRZA, PRZZ und PAZA). Die finale Abkühlung auf Oberflächentemperaturen fand im Verlauf des Jura und der späten Kreide statt. Die Abkühlgeschichten der Sierra de San Luis und Sierra de Comechingones werden in einem Entwicklungsmodel zusammengefasst, welches signifikante Unterschiede in der thermischen Entwicklung beider Gebirgszüge offenbart. Kapitel 5 diskutiert die thermochronologische Entwicklung der Sierra de Pie de Palo, einem ausgeprägten Höhenzug in den Westlichen Sierras Pampeanas. Thermochronologische Untersuchungen zeigen das die strukturelle Entwicklung der Sierra Pie de Palo bereits im späten Paläozoikum einsetzte und von jeher durch tektonisch kontrollierte Erosion geprägt wurde, welche sich im Verlauf des Mesozoikums aufgrund extensionaler Tektonik zwar verlangsamte, jedoch andauerte. Die heutige Topographie des Gebirgszuges bildete sich im Zuge Andiner Kompression im Verlauf des Späten Mesozoikums und Paläogens durch die Hebung und damit einhergehender Denudation einzelner Grundgebirgsblöcke. Die mit der Hebung assoziierte Deformation schritt dabei von Ost nach West voran. Der Gesamtbetrag vertikaler Hebung seit dem frühen Paläozoikum kann auf ca. 3,7-4,3 km eingegrenzt werden, wobei die Gesamtexhumation etwa 1,7-2,2 km bei einer Exhumationsrate von 0,03-0,04 mm/a beträgt. Kapitel 6 stellt eine Methode zur Interpretation von K-Ar Illit Feinfraktionsaltern aus Störungsletten aus nichtsedimentären Gesteinen vor. Gemäß der vorgestellten Methode werden die ermittelten K Ar Illitalter in Kombination mit den Untersuchungsergebnissen unabhängiger Parameter, z.B. Illitkristallinität, Illit-Polytypie und Polytyp-Quantifizierung, Korngröße, Tonmineralogie, K-Ar Abkühlaltern des Nebengesteins sowie mit Ergebnissen thermochronologischer Untersuchungen (AHe, ZHe, AFT) evaluiert. Dieser Interpretationsansatz wird im Rahmen einer regionalen Studie innerhalb der Östlichen Sierras Pampeanas exemplarisch angewandt. Im Zuge dessen wurde eine große Zahl von Störungsletten systematisch beprobt und analysiert. Ermittelte K-Ar Illitalter decken die Zeitspanne vom Devon bis in die Kreidezeit und dokumentieren eine lang anhaltende Phase bruchhafter Deformation in der Region. Alter >320 Ma sind synchron mit einer Periode kompressiver intra-Platten Tektonik, während Permische und Triassische Alter mit einer Periode flacher Subduktion der Farallon Platte unter die Südamerikansche Platte assoziiert werden können. Darüber hinaus belegen die K-Ar Illitalter ein von Nord nach Süd Fortschreiten der spröden Deformation in den Sierras de San Luis und Comechingones. Die Integrität und Konsistenz der analysierten Daten belegt die Leistungsfähigkeit und tektonische Signifikanz der hier vorgestellten Methode, welche somit einen bedeutenden Beitrag zur Entschlüsselung komplexer Abkühlungs- und Deformationsereignisse bieten kann. Jedoch kann gezeigt werden, dass die Aussagekraft der hier vorgestellten Methode stark von der Abkühlgeschichte des Untersuchungsgebietes abhängt. Kapitel 7 präsentiert thermochronologische Daten aus den gesamten Sierras Pampeanas. Darüber hinaus werden alle verfügbaren thermochronologischen und geochronologischen Daten zur Abkühlgeschichte der Sierras Pampeanas diskutiert und in ein Abkühlmodell zusammengefasst. Die Daten belegen eine Abkühlung unter 200°C im Verlauf des Karbons. Im Verlauf des Perms und der Trias schritt die Abkühlung von West nach Ost fort, räumlich und zeitlich einhergehend mit dem fortschreiten eines flachen Subduktionsereignisses der Farallon-Platte unter die heutige Südamerikanische Platte. Mesozoische Riftereignisse und damit einhergehende Sedimentation und Versenkung zeigen nur lokal Einfluss auf die ermittelten Abkühlalter. Dies deutet darauf hin, dass die zum Verlust der Altersinformation der thermochronologischen Systeme notwenige Versenkungstiefen nur entlang der schmalen, räumlich eingeschränkten Kretazischen Riftbecken erreicht werden. Die finale Abkühlung auf Oberflächentemperaturen verlief diachron in den nördlichen und südlichen Sierras Pampeanas. So können im Norden Neogene Alter beobachtet werden, während die südlichen und westlichen Sierras Pampeanas spätestens seit der Kreide bzw. frühen Paleogens auf Oberflächentemperaturen abgekühlt waren. Letzteres deutet auf die Existenz einer positiven Topographie in den südlichen Sierras Pampeanas, bereits vor dem Einsetzen Cenozoischen Andinen Kompression und der im Neogenen einsetzenden flachen Subduktion der Nazca-Platte hin. Dies wiederum wiederspricht der allgemein akzeptierten Hypothese, dass die Exhumation und Hebung der Sierras Pampeanas allein mit der Neogenen flachen Subduktion der Nazca-Platte in Verbindung stehen. Im Gegensatz dazu wird vorgeschlagen, dass diese Neogenen Prozesse lediglich zu einer Überprägung und Akzentuierung des bereits existierenden Reliefs führten. Diese Vermutung kann durch die Berechnung auffallend niedriger Denudationsraten in den Östlichen und Westlichen Sierras Pampeanas von 0,010 0,024 km/a gestützt werden, welche auf stabile Bedingungen, zumindest seit der späten Kreidezeit, hindeuten.