El magmatismo del Mioceno en Los Andes de Chile central \(~33º

UNIVER SIDAD DE CONCEPCIÓN
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA
10° CONGRESO GEOLÓGICO CHILENO 2003
DENUDACIÓN/ALZAMIENTO DEL MIOCENO SUPERIOR – PLIOCENO
INFERIOR DE LA CORDILLERA DE CHILE CENTRAL (33º-35ºS)
INFERIDA POR DATACIONES POR TRAZAS DE FISIÓN EN
APATITO DE PLUTONES MIOCENOS.
MAKSAEV, V.1, ZENTILLI, M.2, MUNIZAGA, F.1, y CHARRIER, R.1
1
2
Departamento de Geología, Universidad de Chile, Casilla 13518, Correo 21, Santiago; [email protected];
[email protected]; [email protected]
Department of Earth Sciences, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Canada B3H 3J5,
[email protected]
INTRODUCCIÓN
El magmatismo del Mioceno en Los Andes de Chile central (~33º-35º S) parece haberse
desarrollado en una etapa de engrosamiento cortical y alzamiento tectónico relacionados a pulsos
compresivos de la fase tectónica Quechua, hecho que algunos autores han relacionado al
progresivo aplanamiento hacia el sur de la placa de Nazca en subducción desde el Mioceno al
Reciente (Kay et al., 1987, 1991, 1995; Skewes y Stern, 1994, 1995; Stern y Skewes, 1995).
Además, Skewes y Holmgren (1993) y Skewes y Stern, (1994) propusieron que el rápido
alzamiento y exhumación de sistemas plutónicos profundos en este ambiente habría resultado en
la exsolución de fluidos magmáticos con cobre, los cuales habrían causado brechización y
mineralización de pórfidos cupríferos gigantes en el Mioceno Superior – Plioceno tales como Río
Blanco – Los Bronces y El Teniente. Consecuentemente, es importante determinar precisamente
la historia de denudación de la cordillera. En este sentido Kurtz et al. (1997) presentaron
dataciones 40Ar/39Ar para varios plutones de la zona central y modelaron la exhumación de los
plutones de La Obra y de las nacientes del río Cortaderal en base a una simulación del
enfriamiento de los plutones en función de un hipotético flujo calórico paleo-geotermal casi tres
veces más alto que el promedio continental. Estos autores estimaron una tasa de exhumación de
0,55 mm/año para el plutón La Obra entre los 19,6 y 16,2 Ma y de 3 mm/año para el plutón de las
nacientes del río Cortaderal entre los 8,4 y los 7,7 Ma. La simulación de Kurtz et al. (1997)
involucra una serie de supuestos, los que afectan la certidumbre de sus estimaciones de tasas de
exhumación. Para refinar estas determinaciones y obtener una mejor visión de la denudación
sufrida por la cordillera nosotros hemos realizado dataciones por trazas de fisión en apatito en
muestras de rocas intrusivas miocenas de la Cordillera Principal de Chile central (Fig. 1),
incluyendo algunas de las mismas muestras que originalmente Kurtz et al. (1997) dataran por
40
Ar/39Ar. El propósito final es modelar la historia de enfriamiento de baja temperatura de los
plutones y obtener una mejor estimación de las tasas de exhumación en Los Andes de Chile
central que son reflejo de eventos de alzamiento tectónico y acortamiento cortical, que
probablemente causaron la inversión de una cuenca extensional desarrollada durante el Eoceno
Superior Oligoceno (Charrier et al., 2002).
Todas las contribuciones fueron proporcionados directamente por los autores y su contenido es de su exclusiva responsabilidad.
PROCEDIMIENTOS ANALÍTICOS
El método de datación por trazas de fisión en apatito se basa en el decaimiento espontáneo de
trazas de 238U el cual produce trazas lineales de daño submicroscópico en la estructura cristalina
del mineral. El procedimiento incluye la medición de la densidad de trazas destacables por
medios químicos en los cristales y la determinación de la distribución de largos de trazas
confinadas (Ej. Wagner, 1968, Wagner y Van den Haute, 1992). La densidad de trazas provee
una medida de la edad del mineral con respecto a la historia termal de baja temperatura, ya que
las trazas se borran completamente a temperaturas superiores de 100 – 150ºC en períodos de
tiempo geológico (el valor preciso de temperatura depende de la composición química del apatito
y de las razones de enfriamiento/calentamiento). La distribución de largos de trazas provee
información valiosa de la historia termal del mineral porque la disminución del largo de trazas es
un proceso activado por la temperatura (Gleadow et al., 1986). Los análisis de trazas de fisión en
apatito fueron realizados por Alexander M. Grist en el laboratorio de la Universidad de
Dalhousie, Halifax, Nova Scotia, Canadá y por el Dr. Paul B. O'Sullivan en el laboratorio de
“Apatite to Zircon, Inc.” de Idaho, USA (ex Donelick, Inc.; www.apatite.com), en ambos casos
para la datación se utilizó el método de detector externo (Gleadow, 1981).
RESULTADOS
22 nuevas dataciones por
trazas de fisión en apatito de
plutones miocenos de la
Cordillera de Chile Central
proveen valores que varían
entre los 21,1 Ma hasta 3,71
Ma.
Algunas muestras
produjeron dataciones de
trazas de fisión en apatito
comparables
con
las
40
39
dataciones
Ar/ Ar
previamente publicadas para
los respectivos intrusivos, tal
es el caso de los plutones de
La Obra (21,1 Ma), San
Gabriel (12,1 Ma) y Cruz de
Piedra (6,1 Ma) (Fig. 1). Sin
embargo, el 66,6% de las
dataciones por trazas de
fisión en apatito caen en el
rango de 5,6 a 3,1 Ma y son
significativamente
más
jóvenes que las dataciones 40Ar/39Ar de los respectivos intrusivos, indicando que la mayoría de
los plutones se enfriaron por debajo de los 105 ± 20ºC (temperatura de cierre del apatito para
trazas de fisión) dentro de ese período de tiempo. El largo medio de trazas de fisión en apatito de
las distintas muestras varían entre 13,21 y 15,70 µm y con distribuciones unimodales compatibles
con un enfriamiento simple de las rocas, de modo que el período entre los 5,6 y 3,1 Ma debe
representar un período de denudación importante de la Cordillera Principal y probablemente es
reflejo del efecto del alzamiento tectónico de este elemento morfo-estructural a fines del Mioceno
y comienzos del Plioceno en el sector estudiado.
La correspondencia de dataciones de trazas de fisión en algunos de los plutones con dataciones
40
Ar/39Ar publicadas por Kurtz et al. (1997) implica que dichos plutones se enfriaron rápidamente
después de su intrusión y desde entonces han permanecido a una profundidad relativamente
somera, de modo que su temperatura posterior nunca excedió de los 105 ± 20 ºC. Esto pone un
límite posible para la magnitud de denudación sobre los plutones de La Obra, San Gabriel y Cruz
de Piedra (Fig. 1), la que alcanzaría como máximo del orden de 3,5 km para un paleo-gradiente
geotérmico de 30ºC. No tenemos antecedentes precisos del gradiente geotérmico existente al
tiempo de las intrusiones, pero si asumimos gradientes normales de 25º o 30ºC/km se puede
estimar un grado de denudación compatible con la geología de la zona que se caracteriza por la
preservación de rocas volcánicas miocenas de la Formación Farellones en las cumbres
cordilleranas. Aunque esos gradientes geotérmicos son especulativos, son razonables como una
primera aproximación, ya que Giese (1994) estimó en base a medidas termales y cálculos para la
corteza actual de los Andes Centrales una temperatura de 141ºC a 5 km de profundidad, lo que
daría un gradiente de 28,2ºC/km. Si existieron gradientes mayores como los asumidos por Kurtz
et al. (1997) redundarían en menos denudación.
En contraste con los plutones mencionados arriba, cuyos apatitos preservaron la edad del
enfriamiento original de la roca, la mayoría de los plutones datados revela dataciones de trazas de
fisión en apatito significativamente más jóvenes que las dataciones 40Ar/39Ar de los mismos.
Esto implica que la mayoría de los plutones hoy expuestos en superficie permanecieron por cierto
tiempo geológico a profundidades tales que las temperaturas fueron suficientes altas para el
rejuvenecer el geocronómetro de trazas de fisión en apatito, por lo que sus edades más jóvenes
pueden representar el momento en que estas rocas fueron exhumadas hasta niveles por encima de
la temperatura de cierre del apatito. Varios modelos termales coinciden en mostrar enfriamiento
relativamente rápido centrado alrededor de los 4 Ma, pero que varía para distintas muestras desde
los 5,6 a los 2,8 Ma sugerente de una etapa acelerada de denudación en este período
correspondiente a fines del Mioceno a comienzos del Plioceno. Sin embargo, no se observa un
patrón regular de variación de las edades de trazas de fisión en apatito con la altitud a escala
regional, por lo que se complica aplicar el método topográfico para la estimación de tasas de
exhumación. La ausencia de un patrón regular de variación de edades con la altitud puede ser
reflejo de complicaciones estructurales (Ej. bloques fallados elevados a distintas alturas), que
algunas de las edades estén solo parcialmente rejuvenecidas o ambos.
El intrusivo de las nacientes del Río Cortaderal, para el que Kurtz et al. (1997) obtuvieron
dataciones 40Ar/39Ar de 8,4 Ma en biotita y de 7,7 Ma en feldespato potásico, dio una datación de
trazas de fisión en apatito de 3,71 Ma. El modelo termal para este intrusivo es compatible con
alta tasas de exhumación del orden de 2,2 a 2,6 mm/año entre los 3,7 y los 2,8 Ma y de 0,53 a
0,64 mm/año desde los 2,8 Ma hasta la actualidad. Este plutón es el mismo que utilizó Kurtz et
al. (1997) para modelar una tasa de exhumación de 3 mm/año entre los 8,4 y los 7,7 Ma, pero el
apatito no provee registro de ese hipotético evento de denudación. Por otra parte, la datación de
trazas de fisión en circón del mismo intrusivo produjo una edad de 8,05 Ma esencialmente
concordante con la edad 40Ar/39Ar en biotita indicando que el intrusivo se enfrió rápidamente
luego de su emplazamiento por debajo de la temperatura de cierre del circón para las trazas de
fisión (175ºC).
El intrusivo de Rosario de Rengo con una datación 40Ar/39Ar en hornblenda de 16,2 Ma (Kurtz et
al., 1997) dio una datación de trazas de fisión en apatito de 5,56 Ma. El modelo termal para este
intrusivo es compatible con altas tasas de exhumación de 1,41 a 1,70 mm/año entre los 5,6 y los
3,5 Ma, las que decrecen a 0,19 o 0,22 mm/año desde los 3,5 Ma hasta la actualidad.
DISCUSIÓN
Las altas tasas de exhumación que pueden estimarse entre los 5,6 a 3,1 Ma probablemente
reflejan el alzamiento tectónico de la cordillera entre los 33º y 35º S, el cual activó vigorosos
procesos erosivos, pero también pueden ser resultantes de enfriamiento rápido de las rocas
producto de fenómenos de remoción en masa de la cubierta, como los documentados durante el
Plioceno en la zona de El Teniente por Godoy et al. (1994). Por otra parte, la existencia de un
período acelerado de erosión en ese período es consistente con el hecho que en el yacimiento Río
Blanco exista un complejo volcánico datado por K-Ar entre 4,9 y 3,9 Ma (Complejo Volcánico
La Copa; Serrano et al., 1996) que se apoya directamente sobre rocas con alteración potásica, lo
que significa una rápida exhumación del yacimiento antes de la formación del complejo
volcánico plioceno, el que luego se preservó hasta la actualidad evidenciando una reducción
posterior de las tasas de denudación.
El período de denudación de 5,6 a 3,1 Ma inferido a partir de las dataciones de trazas de fisión en
apatito se traslapa con la formación de los mega-depósitos de Cu-Mo Río Blanco-Los Bronces
(Serrano et al., 1996) y El Teniente (Skewes et al., 2002), lo que implicaría que estos depósitos se
formaron en una etapa de alzamiento tectónico importante de la cordillera. Una situación similar
pero ocurrida entre los 45,2 y 35,4 Ma fue evidenciada por Maksaev y Zentilli (1999) en la
Cordillera de Domeyko durante la formación de los mega-depósitos de tipo pórfido cuprífero del
Eoceno Superior – Oligoceno. Consecuentemente, los datos termocronométricos de trazas de
fisión en apatito apoyan fuertemente la idea que la formación de depósitos gigantes de tipo
pórfido cuprífero se relaciona a tectónica compresiva, engrosamiento cortical y alzamiento de la
cordillera como también se evidencia por datos geológicos regionales y petroquímicos (Ej.
Maksaev, 1990, Kay y Kurtz, 1995, Camus, 2002).
Por otra parte, Skewes y Holmgren (1993) y Skewes y Stern, (1994) propusieron que el rápido
alzamiento y exhumación de sistemas plutónicos profundos del Mioceno Superior – Plioceno en
el ambiente compresivo habría resultado en la exsolución de fluidos magmáticos con cobre, los
cuales habrían causado brechización y mineralización de pórfidos cupríferos gigantes en el
Mioceno Superior – Plioceno tales como Río Blanco – Los Bronces y El Teniente. Esto parece
improbable porque tasas de denudación del orden de 1,4 a 2,6 mm/año que pueden estimarse
serían muy lentas como para producir efectos de exsolución de fluidos o degasificación de
magmas. Sin embargo, la descompresión repentina de cuerpos de magma por fenómenos de
remoción en masa de la cubierta ciertamente pudo haber tenido consecuencias significativas en
este tipo de fenómenos magmático-hidrotermales. En este sentido los eventos de remoción en
masa documentados durante el Plioceno en la región de El Teniente por Godoy et al. (1994)
pueden ser relevantes. La existencia de la diatrema volcánica del complejo La Copa en Río
Blanco y de la diatrema de la Chimenea Braden de El Teniente (Sillitoe, 1985) podrían reflejar la
liberación violenta de volátiles desde cámaras magmáticas someras por el descenso repentino de
presión confinante debido a la remoción de la cubierta.
Kurtz et al. (1997) sugirieron la eventual existencia de paleo-gradientes de hasta 100ºC/km, de
modo que las dataciones 40Ar/39Ar en biotita y feldespato potásico podían reflejar exhumación y
esta podía modelarse a partir del diferencial de edad entre estos minerales. Sin embargo, la
correspondencia entre las dataciones 40Ar/39Ar en biotita y las de trazas de fisión en apatito de
algunos de los plutones (La Obra, San Gabriel, Cruz de Piedra) no apoya esa hipótesis, ya que las
intrusiones se enfriaron rápidamente por debajo de la temperatura de cierre del apatito para trazas
de fisión en distintos períodos del Mioceno. Esto cuestiona la validez de las estimaciones de
tasas de exhumación de Kurtz et al. (1997).
CONCLUSIONES
Nuevas dataciones de trazas de fisión en apatita de plutones miocenos de la Cordillera de Chile
Central (33º-35ºS) revelan un período de denudación regional entre 5,6 a 3,1 Ma. Este período
erosivo probablemente refleja el alzamiento tectónico de la cordillera relacionado a acortamiento
cortical y coincide con la formación de los mega-depósitos de Cu-Mo Río Blanco – Los Bronces
y El Teniente, en una situación similar a la de la formación de los mega-depósitos de tipo pórfido
cupríferos del Eoceno Superior – Oligoceno en la Cordillera de Domeyko.
Los plutones de La Obra, San Gabriel y Cruz de Piedra presentan dataciones de trazas de fisión
en apatito coincidentes con las edades 40Ar/39Ar lo que implica que las muestras datadas después
de cristalizar y enfriarse nunca estuvieron a una profundidad mayor de unos 3,5 km, lo cual
implica un máximo de denudación posible para estos cuerpos intrusivos. Sin embargo, dos
tercios de las muestras datadas deben haber permanecido a profundidades algo mayores donde la
temperatura estaba por encima de la de retención de trazas de fisión en apatita antes de ser
exhumadas.
Las posibles tasas de denudación no parecen ser por si mismas suficientes para tener efecto en la
descompresión de cámaras magmáticas y producir la exsolución de fluidos hidrotermales. Sin
embargo, fenómenos de remoción en masa podrían haber producido descenso repentino de
presión confinante en cámaras magmáticas someras y la liberación violenta de volátiles con la
generación de diatremas en Río Blanco y El Teniente.
AGRADECIMIENTOS
Este estudio se realizó dentro del marco del Proyecto de Incentivo a la Cooperación Internacional Nº
7000932 de Fondecyt con el Dr. Marcos Zentilli y fue complementario al proyecto Fondecyt Nº 1000932
(V. Maksaev y F. Munizaga). Se agradece a la Superintendencia de Geología de la División El Teniente
de Codelco-Chile, especialmente a Patricio Zúñiga y Alejandra Arévalo, por autorizar el uso de las
muestras de intrusivos recolectadas durante un estudio geoquímico y geocronológico de la región de El
Teniente que fuera realizado en 1995 para Codelco-Chile por Suzanne M. Kay y Andrew C. Kurtz de la
Universidad de Cornell, en asociación con Estanislao Godoy del SERNAGEOMIN y Reynaldo Charrier
de la Universidad de Chile. Asimismo, se agradece el trabajo analítico de Alexander M. Grist y de Paul
O'Sullivan.
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