Pliocene-Pleistocene landscape evolution in south-central Chile : interactions between tectonic, geomorphic, and climatic processes

Landschaften entwickeln sich im komplexen Zusammenspiel von Klima und Tektonik. Demzufolge können sie nur verstanden werden, wenn sowohl klimatische als auch tektonische Signale vergangener und rezenter Prozesse identifiziert werden. Um den Einfluss beider Faktoren zu bewerten, ist es deshalb wichtig, die Evolution geomorphologischer Marker in der Natur zu quantifizieren.Die känozoischen Anden sind eine ideale Region, um tektonische und klimatische Aspekte der Landschaftsentwicklung auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen zu erforschen. Sie sind das Modell-Subduktionsorogen, assoziiert mit der Subduktion der ozeanischen Nazca-Platte unter den südamerikanischen Kontinent seit ca. 200 Mio Jahren. In Chile ist dieser konvergente Plattenrand geprägt von aktiver Tektonik, Vulkanismus und Gebirgsbildung. Bedeutenderweise ereignen sich entlang der Küste häufig Megaerdbeben, die die Landschaftsentwicklung stark beeinflussen. Tatsächlich ereignete sich das größte jemals aufgezeichnete Erdbeben mit einer Bruchzone von ca. 1000 km Länge 1960 im südlichen Zentralchile. Nichtsdestotrotz ist auf längeren Zeitskalen über historische Dokumentationen hinaus nicht bekannt, wie sich solche seismotektonischen Segmente verhalten und wie sie die geomorphologische Entwicklung der Küstengebiete beeinflussen. Mit semi-unabhängigen morphotektonischen Segmenten, wiederkehrenden Megaerdbeben und einer Fülle geomorphologischer Marker, die aktive Tektonik anzeigen, ist somit der Plattenrand von Chile ein Schlüsselgebiet für das Studium von Zusammenhängen zwischen Oberflächenprozessen und Tektonik.In dieser Arbeit kombiniere ich Geomorphologie, Geochronologie, Sedimentologie und Morphometrie, um die plio-pleistozäne Landschaftsentwicklung des tektonisch aktiven süd-zentralchilenischen Forearcs zu quantifizieren. Mit dieser Analyse liefere ich (1) neue Ergebnisse über den Einfluss seismotektonischer Forearc-Segmentierung auf die geomorphologischen Entwicklung und (2) neue Erkenntnisse über die Interaktion zwischen Klima und Tektonik bezüglich der Gestaltung des chilenischen Forearcs.Ich zeige, dass der Forearc in drei langlebige morphotektonische Segmente gegliedert ist, die nicht mit kurzlebigen Erdbebenbruchzonen korrelieren. Die Segmente heißen Nahuelbuta, Toltén und Bueno Segment, wovon jedes eine andere geomorphologische und tektonische Entwicklung durchläuft. Die Nahuelbuta und Bueno Segmente unterliegen aktiver tektonischer Hebung. Das langfristige Verhalten dieser beiden Segmente manifestiert sich in zwei beidseitig abtauchenden, wachsenden Antiklinalen, die integraler Bestandteil des Küstengebirges sind und die Hebung von marinen und fluvialen Terrassen aufzeichnen. Die Hebung verursachte weitreichende Veränderungen in den Fließrichtungen des Gewässernetzes. Im Gegensatz dazu ist das Toltén Segment, das sich zwischen den beiden anderen Segmenten befindet, quasi-stabil.Um die Hebung und Einschneidung in dem tektonisch aktiven Nahuelbuta Segment zu quantifizieren, habe ich eine Erosionsfläche und fluviale Terrassen in dem Küstengebirge mit kosmogenem 10Be und 26Al bzw. optisch stimulierter Lumineszenz datiert. Meinen Ergebnissen zufolge sind die spätpleistozänen Hebungsraten, die ca. 0,88 mm a-1 betragen, höher als die Oberflächenhebungsraten, die über die letzten 5 Mio Jahre mitteln und ca. 0,21 mm a-1 betragen. Diese Diskrepanz deutet an, dass die Hebung der Oberfläche räumlich und zeitlich sehr stark variiert und sich präferiert an Aufschiebungen konzentriert.Zusätzlich zeigen die Ergebnisse der Expositionsdatierung mit kosmogenem 10Be und 26Al, dass die morphotektonische Segmentierung im Pliozän etabliert wurde, zeitgleich mit dem Beginn der Hebung des Küstengebirges vor ca. 5 Mio Jahren infolge eines Wechsels des Subduktionsmodus von Erosion zu Akkretion.Schließlich habe ich vulkanische Klasten, die aus alluvialen Flächen im Längstal stammen, mit den stabilen kosmogenen Nukliden 3He und 21Ne datiert, um Aufschluss über die Faktoren zu erhalten, die die Sedimentablagerung im Forearc bestimmen. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass diese flach einfallenden Oberflächen, die vor 150.000 bis 300.000 Jahren abgelagert wurden, in Zusammenhang mit Änderungen des Erosionsregimes in glazialen Episoden entstanden sind.Zusammenfassend zeigen die Daten, dass der heutige geomorphologische Ausdruck des Forearcs post-Miozän und eng mit einer klimatischen Überprägung des tektonischen Systems verknüpft ist. Der klimatische Einfluss spiegelt sich ebenfalls in der Topographie und dem lokalen Relief der Zentral- und Südanden wider. Beide Parameter variieren stark entlang des Plattenrandes, bestimmt durch den jeweils dominierenden Oberflächenprozess, der wiederum letztendlich vom vorherrschenden Klima abhängt. Allerdings reflektiert das Relief teilweise Oberflächenprozesse, die unter vergangenen Klimaten aktiv waren. Das betont die äußerst große Vorsicht, die nötig ist, wenn Landschaften als Spiegel des aktuellen Klimas interpretiert werden.

Landscapes evolve in a complex interplay between climate and tectonics. Thus, the geomorphic characteristics of a landscape can only be understood if both, climatic and tectonic signals of past and ongoing processes can be identified. In order to evaluate the impact of both forcing factors it is crucial to quantify the evolution of geomorphic markers in natural environments. The Cenozoic Andes are an ideal setting to evaluate tectonic and climatic aspects of landscape evolution at different time and length scales in different natural compartments. The Andean Cordillera constitutes the type subduction orogen and is associated with the subduction of the oceanic Nazca Plate beneath the South American continent since at least 200 million years. In Chile and the adjacent regions this convergent margin is characterized by active tectonics, volcanism, and mountain building. Importantly, along the coast of Chile megathrust earthquakes occur frequently and influence landscape evolution. In fact, the largest earthquake ever recorded occurred in south-central Chile in 1960 and comprised a rupture zone of ~ 1000 km length. However, on longer time scales beyond historic documentation of seismicity it is not well known, how such seismotectonic segments have behaved and how they influence the geomorphic evolution of the coastal realms. With several semi-independent morphotectonic segments, recurrent megathrust earthquakes, and a plethora of geomorphic features indicating sustained tectonism, the margin of Chile is thus a key area to study relationships between surface processes and tectonics. In this study, I combined geomorphology, geochronology, sedimentology, and morphometry to quantify the Pliocene-Pleistocene landscape evolution of the tectonically active south-central Chile forearc. Thereby, I provide (1) new results about the influence of seismotectonic forearc segmentation on the geomorphic evolution and (2) new insights in the interaction between climate and tectonics with respect to the morphology of the Chilean forearc region. In particular, I show that the forearc is characterized by three long-term segments that are not correlated with short-lived earthquake-rupture zones that may. These segments are the Nahuelbuta, Toltén, and Bueno segments, each recording a distinct geomorphic and tectonic evolution. The Nahuelbuta and Bueno segments are undergoing active tectonic uplift. The long-term behavior of these two segments is manifested in form of two doubly plunging, growing antiforms that constitute an integral part of the Coastal Cordillera and record the uplift of marine and river terraces. In addition, these uplifting areas have caused major changes in flow directions or rivers. In contrast, the Toltén segment, situated between the two other segments, appears to be quasi-stable.In order to further quantify uplift and incision in the actively deforming Nahuelbuta segment, I dated an erosion surface and fluvial terraces in the Coastal Cordillera with cosmogenic 10Be and 26Al and optically stimulated luminescence, respectively. According to my results, late Pleistocene uplift rates corresponding to 0.88 mm a-1 are faster than surface-uplift rates averaging over the last 5 Ma, which are in the range of 0.21 mm a-1. This discrepancy suggests that surface uplift is highly variable in time and space and might preferably concentrate along reverse faults as indicated by a late Pleistocene flow reversal.In addition, the results of exposure dating with cosmogenic 10Be and 26Al indicate that the morphotectonic segmentation of this region of the forearc has been established in Pliocene time, coeval with the initiation of uplift of the Coastal Cordillera about 5 Ma ago, inferred to be related to a shift in subduction mode from erosion to accretion. Finally, I dated volcanic clasts obtained from alluvial surfaces in the Central Depression, a low-relief sector separating the Coastal from the Main Cordillera, with stable cosmogenic 3He and 21Ne, in order to reveal the controls of sediment accumulation in the forearc. My results document that these gently sloping surfaces have been deposited 150 to 300 ka ago. This deposition may be related to changes in the erosional regime during glacial episodes. Taken together, the data indicates that the overall geomorphic expression of the forearc is of post-Miocene age and may be intimately related to a climatic overprint of the tectonic system. This climatic forcing is also reflected in the topography and local relief of the Central and Southern Andes that vary considerably along the margin, determined by the dominant surface process that in turn is eventually controlled by climate. However, relief also partly reflects surface processes that have taken place under past climatic conditions. This emphasizes that due care has to be exercised when interpreting landscapes as mirrors of modern climates.