The relation of the mid-Tertiary coastal magmatic belt in south-central Chile to the late Oligocene increase in plate convergence rate

Abstract

The mid-Tertiary Coastal Magmatic Belt in south-central Chile, which crops out both in the Central Valley and, south of 41°S, in the Coastal Cordillera as far west as the Pacific coast, formed when the locus of Andean magmatic activity expanded, both to the west and to the east relative to its previous and current location in the Main Cordillera. This expansion of the magmatic arc occurred in conjunction with a regionally widespread episode of late Oligocene to Miocene extension which thinned the crust below the proto-Central Valley in south-central Chile and generated sedimentary basins west of, within, and east of the Main Cordillera. The extrusive rocks of the mid-Tertiary Coastal Magmatic Belt are interbedded with the late Oligocene to Miocene continental and marine sediments deposited in these basins, and forty-seven of the fifty new and previously published age determinations for these rocks are within the time period 29 Ma (late Oligocene) to 18.8 Ma (early Miocene). The initiation of extension, basin formation and the westward migration of magmatic activity coincides closely to the beginning, in the late Oligocene, of the current period of both high convergence rate (>10 cm/yr) and less oblique convergence, which together resulted in an approximately three-fold increase in trench-normal convergence rate between the Nazca and South American plates. Extension continued, along with a transient steepening of subduction angle as indicated by the westward migration of the volcanic front during the formation of the mid-Tertiary Coastal Magmatic Belt, during an approximately 10 million year period after the trench-normal convergence rate tripled across the Nazca and South American plate boundary. The mid-Tertiary Coastal Magmatic Belt includes igneous rocks chemically similar to modern Andean arc magmas, as well as rocks with ocean island basalt chemical affinities characterised by lower Ba/La (<19), La/Nb (<1.6) and initial 86Sr/87Sr ratios (<0.7035), and higher epsilonNd(T) values (>+5). The latter formed by melting of mantle uncontaminated by components derived from the dehydration of subducted oceanic lithosphere. This suggests the formation of the mid-Tertiary Coastal Magmatic Belt may have involved upwelling of asthenospheric mantle, possibly through a slab-window, due to the transient episode of invigorated asthenospheric wedge circulation caused by the three-fold increase in late Oligocene trench-normal convergence rates between the Nazca and South Amercan plates. The change in subduction geometry and the transient period of invigorated asthenospheric circulation caused by this increase in convergence rate may have combined to produced moderate extension across the southern South American continental margin by inducing an episode of slab rollback of the subducting Nazca plate

Translated abstract

La relación del Cinturón Magmático del Terciario-medio del centro-sur de Chile con el incremento de la razón de convergencia de placas en el Oligoceno superior. El Cinturón Magmático del Terciario-medio de la Costa en el centro-sur de Chile, que aflora en el Valle Central y, al sur de los 41°S, en la Cordillera de la Costa y a lo largo de la costa del Oceáno Pacífico, se formó cuando el foco de la actividad magmática se expandió tanto al oeste como al este de su posición previa y actual en la Cordillera Principal. Esta expansión del arco magmático ocurrió durante el Oligoceno superior-Mioceno en conjunción con un episodio regional de expansión cortical, que adelgazó la corteza bajo el Valle Central embrionario en el centro-sur de Chile y generó cuencas sedimentarias en, al oeste y al este de la Cordillera Principal. Las rocas extrusivas de este cinturón están asociadas con rocas sedimentarias, continentales y marinas, del Oligoceno superior-Mioceno, depositadas en estas cuencas. De un total de cincuenta determinaciones de edades para estas rocas, nuevas y previamente publicadas, cuarenta y siete se ubican entre 29 Ma (Oligoceno superior) y 18,8 Ma (Mioceno inferior). El inicio de la extensión, de la formación de las cuencas y la migración hacia el oeste de la actividad magmática coincide con el comienzo, en el Oligoceno superior, del actual periodo caracterizado por una alta razón de convergencia (>10 cm/año) y de convergencia menos oblicua, lo cual, en conjunto, generó un aumento de tres veces en la velocidad de convergencia de las placas de Nazca y Sudamericana. La extensión continuó por aproximadamente 10 millones de años después que la razón de convergencia, entre las placas de Nazca y Sudamericana, se triplico y la migración hacia el oeste del frente volcánico, durante ese lapso, sugiere un aumento transitorio del ángulo de subducción. El Cinturón Magmático del Terciario-medio de la Costa incluye rocas ígneas con composiciones químicas similares a las rocas del arco volcánico moderno y, también, rocas con afinidades oceánicas, caracterizadas por bajas razones Ba/La (<19) y La/Nb (<1,6), bajas razones 86Sr/87Sr (<0,7035) y altos valores de épsilonNd(T) (>+5). Estas últimas se formaron por fusión parcial de manto astenosférico no contaminado con componentes provenientes desde la deshidratación de litosfera oceánica subductada. Esto sugiere que la formación del Cinturón Magmático del Terciario-medio de la Costa puede haber involucrado alzamiento de manto astenosférico, posiblemente a través de una ventana en la placa subductada, debido a un periodo transitorio de circulación vigorosa en la astenosfera, causado por el incremento en tres veces de la razón de convergencia entre las placas de Nazca y Sudaméricana, ocurrido durante el Oligoceno superior. El cambio en la geometría de subducción y el período transitorio de circulación astenosférica vigorosa, generados por el incremento en las razones de convergencia, se pueden haber combinado para producir una extensión moderada en el margen continental del sector sur de Sudamérica, al inducir un episodio de 'rollback' de la Placa de Nazca subductada