Special Research Center 267 DEFORMATION PROCESSES IN THE ANDES

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Sedimentation, tectonics and volcanism in the Salar de Antofalla area, southern Puna (NW Argentina) - Project D1B

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KURZFASSUNG

Um ein räumliches Bild der Wechselwirkung aufsteigender Magmen mit der verdickten andi-nen Kruste zu erhalten, wurde im südlichen Bereich der Zentralen Vulkanischen Zone (ZVZ) die Zusammensetzung von vier mittel- bis spätmiozänen Stratovulkanen verglichen, die an ei-ner E-W verlaufenden Traverse quer zum magmatischen Bogen angeordnet sind. Einer der vier Stratovulkane (C. Azufre, WITTENBRINK 1997) liegt in der Westkordillere, der vulkanischen Front des magmatischen Bogens (Arc). Die übrigen Vulkanzentren liegen östlich davon im Bereich des Salar de Antofalla (SAF) in der südlichen Puna. Im Arc treten mittel-K- und hoch-K-Andesite bis -Rhyolite auf, im SAF sind hoch-K-Andesite bis -Dazite zu beobachten. Die Vulkanite sind Produkte intrakrustaler Kontaminationsprozesse basaltischer Ausgangsmagmen. Dafür sprechen das Auftreten von Plagioklas-, Klinopyroxen- und Olivinxenokristallen, sowie die Sr-, Pb- und Nd-Isotopenverhältnisse der Vulkanite (87Sr/86Sri 0,70591 - 0,70895; ?Nd(t) -2,1 bis -6,2; 208Pb/204Pb 38,74 - 39,14; 207Pb /204Pb 15,62 - 15,99; 206Pb/204Pb 18,70 - 18,99), die zwischen den Verhältnissen von ZVZ-Basalten und dem unterlagernden Basement liegen.
Die Bearbeitung der Vulkanite zeigt systematische Veränderungen der mineralogischen und geochemischen Zusammensetzung entlang der Traverse. Während im Arc Pyroxen-Andesite zu finden sind, treten östlich davon Hornblende-Andesite auf. Von West nach Ost nehmen die Konzentrationen von K2O, MgO, sowie den kompatiblen Spurenelementen zu, die Al2O3-Ge-halte nehmen ab. Bei den LIL-, HFS-, LRE- und MRE-Elementen ist in derselben Richtung ein Anstieg der Konzentrationen zu bemerken, während die Gehalte der HRE-Elemente sinken. Die 87Sr/86Sr-Isotopenverhältnisse, sowie die 208Pb/204Pb- und 206Pb/204Pb-Verhältnisse steigen von West nach Ost an und die 143Nd/144Nd-Verhältnisse nehmen ab.
Diese Trends sind auf eine Veränderung der basaltischen Mantelmagmen und unterschiedliche Bedingungen während ihrer Kontamination in der Unterkruste zurückzuführen. Der Anstieg der Sr-Konzentrationen von West nach Ost bei gleichbleibender negativer Eu-Anomalie und ähnlichem Al2O3-Gehalt läßt auf angereicherte Mantelmagmen schließen, die durch abneh-mende Aufschmelzungsgrade des Mantels oder durch angereichertes Mantelmaterial erklärt werden können.
Der krustale Kontaminations- und Fraktionierungsprozeß der Mantelschmelzen fand unter un-terschiedlichen Wasserfugazitäten und Temperaturen statt. Aus dem Vergleich der MgO- und Al2O3-Gehalte der bearbeiteten Gesteine mit Literaturdaten über experimentelle Untersu-chungen wird abgeleitet, daß die Entwicklung der Arc-Magmen unter höheren Wasserfugazitä-ten abgelaufen ist als die Entwicklung der SAF-Magmen. Die ostwärts abnehmenden Wasser-fu-gazitäten werden durch sinkende Wassergehalte der Mantelmagmen mit größerer Entfer-nung von der vulkanischen Front interpretiert. Die Modellierung der Yb-Konzentrationen und der Sm/Yb-Verhältnisse zeigt, daß die Ausgangsschmelzen am Ostende der Traverse Granat frak-tioniert haben. Die Entwicklung der Magmen am Westende der Traverse kann dagegen ohne den Einfluß von Granat erklärt werden. Dies spricht für ostwärts abnehmende Tempera-turen während der Kontamination der Ausgangsmagmen. Das Auftreten von Pyroxen-Andesi-ten im Arc und von Hornblende-Andesiten im SAF läßt sich ebenfalls durch ostwärts abneh-mende Temperaturen erklären und ist übereinstimmend mit der Temperaturentwicklung der Aus-gangsschmelzen. Aus der Fraktionierung von Granat ist zu schließen, daß die andine Kruste im mittleren Miozän eine Mächtigkeit von mindestens 33 - 40 km erreicht hatte.
Während der intrakrustalen Entwicklung wurde von den basaltischen Ausgangsschmelzen un-terschiedliches Material assimiliert. Wie die Modellierung von Th/Rb-Verhältnissen, sowie von Sr- und Nd-Isotopenverhältnissen zeigt, kommt das aufgenommene Krustenmaterial einer in-termediären Zusammensetzung gleich, wird aber in Richtung Osten durchschnittlich älter und felsischer. In den Andesiten der Traverse wurden 25 - 40 wt.-% Kruste aufgenommen, in den Daziten sind 45 - 64 wt.-% Kruste enthalten. Die intermediären Schmelzen sind in der mittleren und oberen Kruste unter Drücken von ? 5 - 7 kbar fraktioniert worden.
 
 

ABSTRACT

To understand across-arc variations of ascending magmas interacting with thickened Andean crust this study compared the geochemical compositions of four different Mid - Late Miocene stratovolcanoes of the southern Central Volcanic Zone (CVZ) along an east-west traverse. One of the stratovolcanic centers forms part of the Western Cordillera (C. Azufre, WIT-TENBRINK 1997), representing the volcanic front (arc) of the magmatic arc, while the others are located to the east in the Salar de Antofalla volcanic field (SAF) in the Southern Puna. The arc rocks are middle-K to high-K andesitic to rhyolitic, the SAF rocks consist of high-K andesites to dacites. The volcanic rocks are interpreted as products of parental basaltic magmas contaminated by continental crust. This is supported by plagioclase, clinopyroxene and olivine xenocrysts and by Sr, Pb and Nd isotopic ratios of the volcanic rocks (87Sr/86Sri 0,70591 - 0,70895; ?Nd(t) -2,1 to -6,2; 208Pb/204Pb 38,74 - 39,14; 207Pb /204Pb 15,62 - 15,99; 206Pb/204Pb 18,70 - 18,99) that range between the values of the underlying basement and those of CVZ basalts.
Along the studied geochemical traverse the volcanic rocks reveal systematic variations in their mineralogical and geochemical composition. Pyroxene andesites are found in the arc,  whereas hornblende andesites occur in the SAF area. From west to east, concentrations of K2O, MgO, and incompatible elements increase and Al2O3 concentrations decrease. Furthermore, LILE, HFSE, LREE, and MREE concentrations increase eastward, whereas HREE concentrations diminish. The isotopic ratios of 87Sr/86Sr, 208Pb/204Pb and 206Pb/204Pb rise from west to east, whereas the 143Nd/144Nd ratios decrease.
These trends are attributed to differing basaltic mantle magmas and variations in the process of contamination in the lower Andean crust. Increasing Sr concentrations from west to east toge-ther with largely constant negative Eu-anomalies and Al2O3 contents suggest enriched primary mantle magmas which can be explained by decreasing degrees of partial mantle melting or par-tial melting of an enriched mantle material.
Crustal contamination and fractionation of mantle magmas ocurred at variable water fugacities and temperatures along the E-W-traverse. A comparison of measured MgO and Al2O3 contents of the investigated rocks with literature data of experimental studies leads to the conclusion that the arc magmas evolved under higher water fugacities than the SAF magmas. The pre-ferred interpretation of eastward decreasing water fugacities are progessively lower water contents of primary mantle magmas with increasing distance from the volcanic front. Modeling of Yb contents and Sm/Yb ratios shows that parental basaltic magmas at the eastern end of the traverse have experienced garnet fractionation. Parental magmas of the arc lavas at the western side of the traverse may have evolved without the influence of garnet. This argues for eastward decreasing temperatures during contamination of the parental magmas and it is consistent with the occurence of pyroxene andesites in the arc and hornblende andesites in the SAF area. The fractionation of garnet indicates that the Andean crust has reached a minimum of 33 - 40 km thickness during the Middle Miocene.
During intracrustal evolution the parental basaltic magmas assimilated different materials. Mo-deling of Th/Rb ratios and Sr and Nd isotopic ratios shows that the assimilated crustal rocks were of intermediate composition. To the east these contaminants were older and more felsic in average. The andesitic compositions along the traverse can be modeled as melts with 25 - 40 wt.-% assimilation of crustal rocks, the dacites are the product of 45 - 64 wt.-% assimilation of crustal material. The intermediate magmas were fractionated at pressures of  ? 5 - 7 kbar at medium to upper crustal levels.
 
 

RESUMEN

Con el fin de obtener una resolución espacial de la interacción de los magmas en ascenso con la corteza andina engrosada en la zona sur de la Zona Volcánica Central (CVZ), fueron comparados datos geoquímicos de cuatro estratovolcanes de edad miocénica media a superior. Estos centros volcánicos están ordenados sobre una traversa E-W, perpendicular al arco volcánico. Uno de los cuatro estratovolcanes está ubicado en la Cordillera Occidental (C. Azufre, WITTENBRINK 1997), el frente volcánico del arco magmático (arco). El resto de los centros volcánicos está ubicado al este de este último, en el área del Salar de Antofalla en la Puna Austral (SAF). En el arco se encuentran rocas andesíticas a riolíticas con contenidos medios a altos en K, en cambio en la región del SAF son de composición andesítica a dacítica con altos contenidos en K. Las vulcanitas son producto de la contaminación de magmas basálticos en la corteza continental. Esto está indicado por la presencia de xenocristales de plagioclasa, clinopiroxeno y olivino y por valores de relaciones isotópicas de Sr, Pb y Nd de las vulcanitas (87Sr/86Sri 0,70591 - 0,70895; ?Nd(t) -2,1 to -6,2; 208Pb/204Pb 38,74 - 39,14; 207Pb /204Pb 15,62 - 15,99; 206Pb/204Pb 18,70 - 18,99) que se encuentran entre los de los basaltos de los Andes Centrales y los del basamento.
A lo largo de la traversa, las vulcanitas muestran un cambio sistemático en la composición mineral y en las características geoquímicas. Mientras que en el arco volcánico predominan las andesitas piroxénicas, aparecen en el este andesitas hornbléndicas. De oeste a este hay un aumento en los contenidos de K2O, MgO y de los elementos compatibles y una disminución de las concentraciones de Al2O3.
En los elementos LILE, HFSE, LREE y MREEse aprecia un aumento en la misma dirección, a diferencia de los HREE, los cuales diminuyen. Las relaciones isotópicas de 87Sr/86Sr, como también las de 208Pb/204Pb y 206Pb/204Pb aumentan de oeste a este rise from west to east, mientras que las de 143Nd/144Nd disminuyen.
Estas correlaciones son debidas a diferentes magmas básicos y diferencias en las condiciones durante la contaminación en la corteza inferior. El aumento de las concentraciones de Sr de oeste a este, con valores constantes negativos para la anomalía del Eu y sin variación significante en los contenidos de Al2O3, indican magmas mantélicos enriquecidos. Este comportamiento se puede explicar a través de una disminución del grado de fusión del manto o por fusión de material mantélico enriquecido.
Los procesos de contaminación y fracionamiento de los magmas mantélicos desarollaron bajo distintas fugacidades acuosas y temperaturas. Mediante la comparación de los contenidos de MgO and Al2O3 de las rocas estudiadas con datos experimentales publicados, se puede establecer que los magmas del arco se desarollaron bajo mayor fugacidad acuosa que los magmas de la zona del SAF. La disminución en la fugacidad acuosa puede explicarse a través de una disminución en el contenido de agua en los magmas mantélicos. Los cálculos de modelo de proceso para las concentraciones de Yb y para las relaciones de Sm/Yb muestran que los magmas básicos del extremo este de la traversa han fraccionado granate. La evolución de los magmas básicos en el extremo oeste se pueden explicar sin la participación de granate. Esto indica una disminución de temperatura de oeste a este durante el proceso de contaminación de los magmas. La aparición de andesitas piroxénicas en el arco y de andesitas hornbléndicas en la zona del SAF igual se puede explicar por una disminución de temperatura y está conforme con el desarrollo de las temperaturas de los magmas básicos. El fraccionamiento de granate indica que la corteza andina habría alcanzado un espesor mínimo de 33 - 40 km durante el Mioceno medio.
Durante la evolución dentro de la corteza los magmas básicos asimilaron diferentes materiales. Los cálculos de modelo de proceso para la relación Th/Rb y para las relaciónes isotópicas del Sr y Nd, muestra que el material cortical asimilado equivale a una composición intermedia. La edad del material asimilado aumenta hacia el este y la composición se torna mas félsica. Las andesitas de la traversa incorporaron entre 25 y 40 wt.- % de material cortical, las dacitas entre 45 y 64 wt.-%. Los magmas de composición intermedia fueron fraccionado bajo de presiones ? 5 - 7 kbar en niveles corticales superiores a medios.

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Salar de Antofalla