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Rakotosolofo, Nicolas A. (2004): Palaeozoic and Mesozoic Palaeomagnetism of South America: Results from Peru, Bolivia, Argentina, and Brazil.. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit, wurden in verschiedenen Regionen Südamerikas detaillierte paläomagnetische Untersuchungen durchgeführt. Ziel dieser Arbeiten war die Erstellung einer hochauflösenden scheinbaren Polwanderkurve für Gondwana im Paläozoikum und eine Beschreibung der paläogeographischen Entwicklung des pazifischen Gondwanarandes. In den zentralen Anden wurden ordovizische bis früh-triassische Sequenzen untersucht. Im einzelnen wurden folgende Regionen detailliert bearbeitet: die Subandine Zone, die östliche Kordillere, der Altiplano, die Famatina Ketten die argentinische Vorkordillere sowie das Paganzo Becken. Zusätzlich wurden Sedimente und Vulkanite paläozoischen und kretazischen Alters auf dem südamerikanischen Kraton untersucht. Untersuchungsgebiete waren hier die Parnaíba, Araripe und Pernambuco-Paraiba Becken in Nordost Brasilien. Insgesamt wurden im Rahmen dieser Studie 1682 orientierte Proben an mehr als 320 Lokalitäten entnommen. Detaillierte paläomagnetische Experimente ergaben jedoch lediglich für einen Bruchteil dieser Kollektion zuverlässige Daten. Die Mehrheit des untersuchten Probenmaterials ist entweder remagnetisiert oder aber trägt Magnetisierungen, die als instabil zu bezeichnen sind. Dennoch konnte eine hohe Zahl paläomagnetischer Ergebnisse von hoher Qualität erzielt werden. Diese Ergebnisse liefern wichtige Parameter für das Verständnis der paläogeographischen Entwicklung Westgondwanas. Die mesozoischen Gesteine Nordost-Brasiliens (Sardinha Formation) weisen stabile, von Magnetit getragene Remenzrichtungen auf. Diese Remanenz wurde in der frühen Kreide erworben. Die gemittelte paläomagnetische Richtung dieser Einheit (120-130 Ma) ist D= 176°; I= +05.1°; a95= 2.0°; k= 355; n= 82 Proben; N= 15 Sites),was einer Pollage von l= 84.4°S; f= 090.7°E; A95= 1.8°; K= 441.9 entspricht. Dieser Pol ist in guter Übereinstimmung mit bereits publizierten Daten datierter paläomagnetischen Pole der Unterkreide Brasiliens. Fasst man die Ergebnisse der Sardinha Formation mit publizierten und verlässlichen Daten gleichen Alters zusammen so ergibt sich ein neuer paläomagnetischer Pol für die frühe Kreide (115-133 Ma) des stabilen Südamerikas (l= 84.3°S; f= 067.7°E ; A95= 2.3°; K= 867). Die Einheiten der Mitu und Copacabana „Groups“, aufgeschlossen in den südlichen peruanischen Anden, tragen primäre, gut definierte Remanenzrichtungen die in der frühen Trias bzw. dem frühen Perm erworben wurden. Sowohl inverse als auch normale Polarität konnten bei Proben der Mitu „Group“ (244 ±6 Ma) nachgewiesen werden (D= 349.3°; I= -35.3°; a95= 4.1°; k= 351.4; n= 36 Proben; N= 5 Sites). Die hohe Qualität der Daten wird durch einen positiven Faltentest (99% Konfidenz) und eine positiven Reversaltest der Kategorie B belegt. Durch Kombination dieser Daten mit bereits publizierten paläomagnetischen Ergebnissen ergibt sich ein neuer früh-triassischer Pol von l= 78.6°S; f= 351.9°E (A95= 3.7°; K= 447). Im Gegensatz zur Mitu „Group“ wurden bei den Proben der früh-permischen Copacabana „Group“ ausschließlich Remanenzrichtungen inverser Polarität identifiziert. Diese Tatsache legt einen Erwerb der Magnetisierung während der „Permian-Carboniferous Reverse Superchron“ (PCRS) nahe. Der Faltentest ist auf dem 99% Konfidenzniveau positiv. Die gemittelte paläomagnetische Richtung von D= 166.1°; I= +48.9° (a95= 4.5°; k= 131.5; n= 39 Proben; N= 9 Sites) und der damit definierte früh-permische Pol (l= 68.2°S; f= 321.3°E; A95= 5.2°; K= 99.8) kann daher als zuverlässig betrachtet werden. Auch in diesem Fall lässt sich ein neuer paläomagnetischer Pol berechnen. Zusammen mit Literaturdaten ergibt sich ein Pol für das frühe Perm des stabilen Südamerika von l= 70.4°S; f= 341.8°E; A95= 8.8°; K= 48.3; N= 7 Daten). Die neuen Ergebnisse für das frühe Perm und die frühe Trias des stabilen Südamerikas haben weitreichende Auswirkungen auf die paläogeographische Rekonstruktion Pangäas. Sie sind nicht kompatibel mit Polen gleichen Alters wie sie für Laurussia bestimmt wurden, wenn man ein Pangäa A Konfiguration annimmt. Geht man allerdings von einer Pangäa B Konfiguration im frühen Perm und dem Modell von Pangäa A2 in der frühen Trias aus, so werden diese Unstimmigkeiten aufgelöst. In diesem paläogeographischen Szenario muß man von einer westwärtigen Bewegung Gondwanas relativ zu Laurussia während des Perms ausgehen. Diese Relativbewegung hat sich möglicherweise im Jura fortgesetzt, bis die Pangäa A Konfiguration, so wie sie allgemein für den Zeitraum vor dem Zerbrechen Pangäas akzeptiert wird, erreicht wurde. Die Einheiten der „Subandine Zone“ Boliviens (Taiguati Formation) lieferten keine primären Remanenzrichtungen. Allerdings konnte nachgewiesen werden, dass die ermittelte mittlere paläomagnetische Richtung (D= 149.0°; I= +54.0°; a95= 5.1°; k= 46; Pol: l= 58.3°S; f= 348.9°E; A95= 6.0°; K= 66) auf eine Remagnetisierung im späten Karbon zurückzuführen ist. Ein Vergleich mit Daten gleichaltriger Gestein aus anderer Regionen Südamerikas, Afrika und Australien ergibt eine sehr gute Übereinstimmung. Daher kann auch in diesem Fall ein neuer kombinierter spät-karbonischer Pol für Südamerika bestimmt werden (l= 53.0°S; f= 348.4°E; A95= 6.0°; K= 86.4; N= 8 Daten). Die neuen paläomagnetischen Pole erlauben die Erstellung einer vollständigen scheinbaren Polwanderkurve „apparent polar wander path“, APWP) für Südamerika und damit indirekt auch für Gondwana. Transferiert man diesen APWP in afrikanische Koordinaten, so zeigt es sich, dass der Paläosüdpol sich von der nördlichen Antarktis (spätes Karbon) südwärts bis in die südliche Antarktis (frühe Trias) bewegt hat. Daraus ergibt sich eine nordwärtige Drift Gondwanas mit einer mittleren Geschwindigkeit von 7.2 cm/a zwischen dem frühen Karbon und dem frühen Perm. Während des Perms liegt die aus den Daten abgeleitete mittlere Driftgeschwindigkeit bei 4.6 cm/a. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene APWP unterstützt das Modell von Torsvik und Van der Voo (2002) und McElhinney et al. (2003) für das karbonische bis triassische Segment des APWPs Gondwanas. Widersprüche ergeben sich allerdings aus dem Vergleich der neuen spät-karbonischen Daten mit der APWP von Bachtadse und Briden (1991), Schmidt et al. (1990) und Smith (1998). Um weitere Daten für den APWP Gondwanas im frühen Paläozoikums zu gewinnen wurde die Umachiri Serie (Altiplano, Süd-Peru) beprobt. Es konnte eine stabile Magnetisierungskomponente isoliert werden (D= 003.6°; I= +45.5°; a95= +13.5°; K= 84; n= 18 Proben; N= 3 Sites). Der primäre Charakter dieser früh-ordovizischen Komponente wird durch einen positiven Faltentest (99% Konfidenzniveau) untermauert. Anhand der Remanenzrichtungen wurde die Paläobreitenlage von Süd-Peru mit 27 ±5°S bestimmt. Dieses Ergebnis ist konsistent mit der Lage des Randes Südamerikas innerhalb Gondwanas im frühen Ordoviz. Allerdings weicht die Pollage der Umachiri Serie deutlich vom Referenzpol Gondwanas für diesen Zeitbereich ab. Die Daten weisen auf eine Rotation des Beprobungsgebietes um 45° gegen den Uhrzeigersinn relativ zu dem stabilen Südamerika hin. Frühere Studien belegen, dass diese Rotationen nach dem Oligozän stattgefunden haben müssen. Sie stehen im Zusammenhang mit einer Scherzone, die sich während der andinen Deformation im nördlichen Altiplano gebildet hat. Ein anderer Schwerpunkt dieser Arbeit ist mit Hilfe paläomagnetischer Methoden die komplexen tektonischen Prozesse Nordwest-Argentiniens während des Paläozoikums anhand der „Vorkordillere“ und der „Famatina Ketten“ zu untersuchen. Innerhalb der „Vorkodillere“ wurden unter anderem die Patquia, Guandacol, Los Espejos, San Juan und die La Silla Formationen beprobt. Jede dieser Einheiten ergab primäre Remanenzrichtungen. Im Fall der San Juan und der La Silla Formation kann dies durch einen positiven Faltentest nachgewiesen werden. Sowohl die Ergebnisse der spät-permischen Patquia Formation (D= 225.8°; I= +61.8°; a95= 3.0°; k=215; n=12 Proben) und der spät-karbonischen Guandacol Formation (D= 194.1°; I= +59.8°; a95= 4.4°; k= 279; n= 8 Proben) als auch die Daten der spät-silurischen Los Espejos Formation (D= 289.8°; I= -29.9°; a95= 17.6°; k= 50; n= 20 Proben, N= 3 Sites) deuten darauf hin, dass die „Prekordillera“ um 60° mit den Uhrzeigersinn relativ zu dem stabilen Teil Südamerikas rotiert ist. Auch hier ist der Ursprung der Rotation in der känozoischen andinen Deformation zu suchen. Ältere Einheiten zeigen ein davon abweichendes Richtungsverhalten. Die Ergebnisse der früh-ordovizischen San Juan und La Silla ergeben eine Paläobreitenlage der Vorkordillere von 39.5 ±4°S. Dies ist konsistent mit ihrer Lage relativ zu Südamerika innerhalb Gondwanas im frühen Ordoviz, d. h. die Vorkodillere war zu diesem Zeitpunkt bereits ein Teil Gondwanas. Der kombinierte Datensatz der San Juan und der La Silla Formation deutet allerdings eine relative Rotation dieser Einheiten von 45° gegen dem Uhrzeigersinn hin. Daher muß von einer Rotation von 105° (gegen dem Uhrzeigersinn) zwischen dem frühen Ordoviz und dem späten Silur ausgegangen werden. Wahrscheinlich steht sie in Verbindung mit der Ocloyíc Deformation, die zur Schließung des Puna Beckens geführt hat. Die Ergebnisse für die „Famatina Ketten“ basieren auf Untersuchungen an der De La Cuesta Formation (spätes Perm) und der Suri Formation (frühes Ordoviz). In beiden Fällen konnten stabile primäre Remanenzrichtungen isoliert werden. Vergleicht man sowohl die Daten der Suri Formation (D= 107°; I= 31°; a95= 7.1°; k= 97; n= 25 Proben; N= 5 Sites) als auch die der De La Cuesta Formation (D=163.2°; I= +43.8°; a95= 10.0°; k=59.5; n= 23 Proben; N= 5 Sites) mit dem jeweiligen gleichaltrigen Referenzpol des stabilen Südamerikas und Gondwanas, so stellt sich heraus, dass nur erste eine Rotation (60° mit dem Uhrzeigersinn) belegen. Wie schon bei der San Juan und der La Silla Formation ist auch hier wahrscheinlich die Ocloyíc Deformation dafür verantwortlich. Die aus den Resultaten der Suri Formation abgeleitet Paläobreitenlage der „Famatina“ (16.5 ±3°S) deckt sich mit ihrer Position innerhalb Gondwanas im frühen Ordoviz. Man kann daher davon ausgehen, dass sie ihre Lage relativ zu dem stabilen Südamerika seit dem frühen Ordiviz nicht verändert hat. Damit kann im Gegensatz zu anderen Modellen ein para-autochthone Ursprung der „Famatina“ ausgeschlossen werden. Zusammenfassend liefern die Rahmen dieser Arbeit erzielten Daten wichtige Parameter für die Bestimmung des Zeitpunkts der „terrane“ Akkretion und der Deformationsgeschichte am westlichen Rand Gondwanas. Basierend auf diesen Ergebnisse kann gezeigt werde, dass die argentinische Vorkordillere integraler Bestandteil Südamerikas bereits im frühen Ordoviz war. Die weitere Konsolidierung des südamerikanischen Rands war mit großmaßstäblichen, vorpermischen Rotationen verbunden. Weiter Rotationen fanden während der andinen Orogenese statt. Qualitativ hochwertige Ergebnisse für Südperu unterstützen paläogeographische Modelle vom Typ Pangäa B für das frühe Perm und Pangäa A2 Konstellationen in der frühen Trias.

Abstract

In order to help define the apparent polar wander path for Gondwana, and to determine the palaeogeographic evolution of the Pacific margin of Gondwana, detailed palaeomagnetic studies have been carried out in several different regions of South America. In the Central Andes, sampling was carried out in Ordovician through to Early Triassic age sequences of the Subandean Zone, the Eastern Cordillera, the Altiplano, the Famatina Ranges, the Argentine Precordillera, and the Paganzo Basin. From more stable regions of South America, samples were also collected from Palaeozoic and Cretaceous age sedimentary and volcanic rocks from the Parnaíba, Araripe and Pernambuco-Paraiba Basins of NE Brazil. Samples from more than 320 sampling sites were collected. From the majority of these samples, however, no reliable information could be obtained due to problems of remagnetisation and the magnetic instability of many sequences (factors which are not apparent in the field). Nevertheless, a number of high quality primary palaeomagnetic results were obtained and provide important information concerning the palaeogeographic evolution of western Gondwana. For Cretaceous times, samples collected from the Sardinha Formation of north eastern Brazil yield a high quality primary direction of D= 176°, I= +05.1°; a95= 2.0°; k= 355; n= 82 samples; N= 15 sites), which translates into a palaeosouth pole of l= 84.4°S; f= 090.7°E; A95= 1.8°; K= 441.9. This is in agreement with the previously published well-dated Lower Cretaceous poles from Brazil. Combination of the result from Sardinha Formation with the coeval published high quality data (Q≥4) from stable South America results in a new Early Cretaceous pole located at l= 84.3°S; f= 067.7°E (A95= 2.3°; K= 867). The age of this mean pole compiled exclusively from South American data is well constrained between 115 Ma and 133 Ma. Results from the Late Palaeozoic-Lower Mesozoic rock units exposed in the southern Peruvian Andes show that the Mitu and the Copacabana Groups carry well-defined pre-folding primary remanences. The stable magnetisation of the Early Triassic Mitu Group (244 ±6 Ma) consists of a dual polarity magnetisation yielding an overall site mean of D= 349.3°; I= -35.3° (a95= 4.1°; k= 351.4; n= 24 samples; N= 5 sites). This remanence passes the fold test at the 99% confidence level and the reversal tests with classification B. Combining the pole from the Mitu Group (l= 78.6°S; f= 351.9°E; A95= 3.7°; K= 447) with the selected coeval published palaeomagnetic data from stable South America (Q≥3 and good age control), results in a new Early Triassic pole situated at l= 76.5°S; f= 306.2°E (A95= 8.3°; K= 66.0; N= 6 studies). In opposition to the Mitu Group, the stable remanence carried by the Early Permian Copacabana Group (D= 166.1°; I= +48.9° (a95= 4.5°; k= 131.5; n= 43 samples; N= 9 sites) is exclusively of reversed polarity. Positive fold test significant at the 99% level and consistency with the Permian-Carboniferous Reverse Superchron (PCRS) confirmed the Early Permian acquisition of this remanence. Combining the pole from Copacabana Group (l= 68.2°S; f= 321.3°E (A95= 5.2°; K= 99.8) with published data from stable South America results in a new Early Permian pole (280 ±20 Ma; l= 70.4°S; f= 341.8°E; A95= 8.8°; K= 48.3; N= 7 studies). These results from southern Peru have an important implication for the palaeogeography of Pangaea. Comparison with the palaeomagnetic data from Laurussia show that both the Early Permian and the Early Triassic poles from South America do not coincide with the coeval poles from Laurussia when adopting the reconstruction parameters for Pangaea A. In contrast, palaeogeographic reconstructions based on palaeomagnetic data from South America satisfy the proposed Pangaea B in Early Permian and Pangaea A2 in Early Triassic, implying large scale dextral shear between Gondwana and Laurussia in Permian times. For Early Carboniferous times, samples collected from the Taiguati Formation of the Bolivian Subandean Zone yields a slightly less well defined plausible Late Carboniferous remagnetisation exclusively carried by magnetite. The palaeosouth pole position (l= 58.3°S; f= 348.9°E (A95= 6.0°; K= 66) calculated from this remanence is in good agreement with the 290-323 Ma poles from South America, Africa, and Australia. Combining the Taiguati pole with the well-dated published South American data (Q≥3) result in a new mean Late Carboniferous pole situated at l= 53.0°S; f= 348.4°E (A95= 6.0°; K= 86.4; N= 8 studies). As an implication for the Gondwana APWP, the presented new Palaeozoic-Mesozoic poles define a complete Late Carboniferous to Early Triassic path for South America, and by proxy, for Gondwana. When transferred in African co-ordinates, this path suggests a palaeosouth pole that has moved southwards from northern Antarctica (Late Carboniferous) to south of Antarctica (the Early Triassic), implying a northward drift of Gondwana with an average velocity of 7.2 cm/year in Late Carboniferous-Early Permian times, and 4.6 cm/year during the whole Permian. The presented APW path for Gondwana, supports the Carboniferous to Triassic segment of the paths of Torsvik & Van der Voo (2002) and McElhinny et al. (2003). In contrast, the newly defined Late Carboniferous pole disagrees with the Carboniferous segment of the APW paths of Bachtadse & Briden (1990), Schmidt et al. (1990) and Smith (1998). For Early Palaeozoic times, results from the Early Ordovician Umachiri Series exposed in the Altiplano (southern Peru) show pre-folding stable remanence (D= 003.6°; I= +45.5°; a95= +13.5°; K= 84; n= 18 samples; N= 3 sites) that passes the fold test at the 99% confidence level. Palaeolatitude information from this unit places southern Peru at a latitude of 27 ±5°S. This is coherent with the position of South American margin within the Lower Ordovician Gondwana. The calculated palaeopole (l= 47.7°N; f= 293.7°E; A95= 12.8°; K= 93.3), however, diverges from Early Ordovician poles for Gondwana. The discrepancy suggests an approximately 45° anticlockwise rotation of the sampling area. This rotation is constrained by previous study as having occurred in post-Oligocene times, and took place along a shear system that developed in northern Altiplano during the Andean deformation. From the Argentine Precordillera, remanences carried by the Patquia, Guandacol, Los Espejos, and combined data from San Juan and La Silla Formations, are considered as being primary in origin. Results from the Late Permian Patquia Formation (D= 225.8°; I= +61.8°; a95= 3.0°; k=215; n=12 samples), the Late Carboniferous Guandacol Formation (D= 194.1°; I= +59.8°; a95= 4.4°; k= 279; n= 8 samples), and the Late Silurian Los Espejos Formation (D= 289.8°; I= -29.9°; a95= 17.6°; k= 50; n= 20 samples, N= 3 sites) indicate an approximately 60° clockwise rotation of the Precordillera during the Cenozoic Andean orogeny. Alternatively, combined results from the Early Ordovician San Juan and La Silla Formations (D= 011.1°; I= +58.4°; a95= 4.0°; k= 81.5; n= 17 samples), which passes the fold test (99%) at sample level, show that the sampling location was located at latitude 39.5 ±4°S during the Ordovician. Good agreement of this palaeolatitude situation with the position of the Precordillera with respect to the Early Ordovician Gondwana, indicate that the Argentine Precordillera was part of Gondwana since the Early Ordovician times. However, in opposition to the Late Permian to Late Silurian sequences, the Early Ordovician sequences show a net anticlockwise rotation of approximately 45°, suggesting a complex tectonic history of the Precordillera. The overall palaeomagnetic data demonstrate an up to 105° anticlockwise rotation of the Precordillera between the Early Ordovician to Late Silurian times and an approximately 60° clockwise rotation during the Cenozoic Andean orogeny. The earlier pre-Late Silurian rotation possibly take place during the Ocloyíc deformational phase that resulted in a closure of the Puna Basin. Palaeomanetic data for the Famatina Ranges are derived from De La Cuesta Formation (Late Permian) and Suri Formation (Early Ordovician). The pre-folding remanence carried by the Suri (D= 107°; I= 31°; a95= 7.1°; k= 97; n= 25 samples; N= 5 sites), which yields a palaeopole position of l= 21.6°S, f= 014.0°E (A95= 4.5°; K= 293.1 in South America co-ordinates), is considered as being Early Ordovician in age. An approximately 60° clockwise rotation of the Famatina after the Early Ordovician times is deduced from this data. As result from De la Cuesta Formation (D=163.2°; I= +43.8°; a95= 10.0°; k=59.5; n= 23 samples; N= 5 sites) show that Famatina was stable since Late Permian, this rotation is constrained as having occurred in Early Ordovician-Late Permian times. It may also occurred during the Ocloyíc deformation. As the palaeolatitude position of Famatina (16.5 ±3°S) calculated from Suri Formation is in agreement with its position in the Early Ordovician Gondwana, the presented results suggest that Famatina was situated at its present position with respect to South America since the Early Ordovician times. This rule out the proposed para-autochthonous origin of the Famatina. In summary, the new results presented provide important new data to constrain the timing of terrane accretion and deformational history of the western margin of Gondwana. They indicate coherency of the Argentine Precordillera with the south American margin in Early Ordovician times, and a subsequent complex consolidation of the margin involving large scale rotations in pre-Permian times. Further relatively large scale block rotations also occurred during the Andean orogeny. Finally, the high quality results from southern Peru clearly indicate a Pangaea B reconstruction in Early Permian times, and a Pangaea A2 type configuration in the Early Triassic, thus supporting the more recent hypotheses concerning the configuration of Pangaea and its evolution through Permian times from the B to the A configurations.