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; vmaksaev@cec.uchile.cl; fmunizag@cec.uchile.cl; rcharrie@cec.uchile.cl Department of Earth Sciences, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Canada B3H 3J5, marcos.zentilli@dal.ca 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. REFERENCIAS Camus, F., 2002. The Andean porphyry systems. In Giant Ore Deposits: Characteristics, genesis and exploration. Cooke, D.R. and Pongratz, J. 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