Prozesse, die die Anden formten – 12 Jahre SFB 267bib.gfz-potsdam.de › pub › 2jb › gfz_04_05_029-046_k.pdfPlateau formation and the contribution of different processes (crustal

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Einleitung

Konvergente Plattenränder und Subduktionszonen zählenzu den Phänomenen erster Ordnung, die die Erde gestal-ten. An konvergenten Kontinenträndern ist eine Vielzahlvon Prozessen vereint, die die interne Architektur, denthermischen und den stofflichen Charakter kontinentalerLithosphäre prägen. Hinzu kommt, daß die enge Bezie-hung dieser Ränder zu aktiver Deformation und Heraus-hebung, Magmatismus und assoziiertem Krustenwachs-tum, der Bildung bedeutender mineralischer Lagerstätten,sowie die Konzentration von mehr als 90 % der globalenseismischen Energieabstrahlung diese Plattenränder zueinem herausragenden natürlichen Labor machen, an demgeologische Massen- und Energieflussraten wie an kei-nem anderen Objekt untersucht werden können.

Seit der Integration der Konzepte zur Orogenese in denplattentektonischen Rahmen gelten die Anden als Typ-vertreter für subduktionsbezogene Plattengrenzen imGegensatz zum Himalaya als Typvertreter kollisionalerPlattenränder. Obwohl die grundsätzlichen Unterschiedezwischen diesen beiden Plattenrandtypen und ihre cha-rakteristischen Eigenschaften gut bekannt sind, sind diezugrunde liegenden Steuerprozesse und Mechanismen einzentraler Gegenstand der internationalen Diskussion seitden 70er-Jahren. Seit Ende der 80er-Jahre hat diese Dis-kussion an Gewicht zugenommen, parallel zu einer eben-falls starken Zunahme von internationalen multidiszipli-nären Forschungsprogrammen in beiden Orogenen. Einer

der Höhepunkte dieser Entwicklung ist der Anfang der90er-Jahre gegründete und 2004 beendete SFB 267„Deformationsprozesse in den Anden“, der von der FreienUniversität Berlin (Sprecheruniversität), der TechnischenUniversität Berlin, der Universität Potsdam und dem Geo-ForschungsZentrum Potsdam getragen wurde.

Zur Entwicklung der Vorstellungen von Subduktions-prozessen sind die Anden ein ganz besonders geeignetesSystem. Die Anden sind das größte aktive Subduktions-orogen der Erde mit dem – nach Tibet – zweitgrösstenHochplateau auf der Erde. Kein anderes Subduktionsoro-gen unseres Planeten zeigt eine derart systematischeÄnderung sowohl von verschiedenen plattenkinemati-schen Randbedingungen als auch von klimatischenBedingungen entlang seines Verlaufs. Kein anderes fokus-siert in diesem Umfang natürliche Ressourcen und Natur-gefahren (z. B. 30 % der weltweiten Seismizität). Der andi-ne Plattenrand stellt damit ein globales natürliches Labordar, in dem eine Analyse der Wechselwirkung zwischenParametern und Prozessen bei der Subduktion und derdamit zusammenhängenden Oberflächenprozesse unter-sucht werden kann. Die Erforschung dieser Prozesse miteinem integrierten Bündel aus geophysikalischen, geodä-tischen, geologischen und petrologischen Verfahren wardas Kernziel des SFB 267. Zwei kontrastierende Zielre-gionen, die ariden zentralen Anden und die extrem humi-den Südanden, waren wegen ihrer gänzlich andersartigenArchitektur und Entwicklung ein ideales Objekt zum Tes-ten der Modelle und Vorstellungen, die für die konver-

Prozesse, die die Anden formten – 12 Jahre SFB 267Onno Oncken und SFB 267-Arbeitsgruppe

Uplift of the Central Andean Cordillera commenced in early Tertiary times and accelerated since the Early Miocene.Plateau formation and the contribution of different processes (crustal shortening, magmatic addition, mantle delami-nation and hydration) are a matter of debate. Deep geophysical data across the Central Andes between 20°S and 24°S(ANCORP'96 and associated geophysical studies) indicate the widespread presence of partial melts or metamorphicfluids at mid-crustal level under the plateau between the Cordilleras bounding the latter. From structural balancingstudies, these fluids or melts are associated with decoupling of upper crustal shortening and lower crustal thickening,hinting at the key role of thermal processes. Isotopic age-dating on syn-tectonic sediments of the Cenozoic intramon-tane basin system building the Altiplano as well as seismic-sequence analysis demonstrate that the Southern Altiplanocrust was deformed with a complex partitioning of deformation between various subunits that were partly synchroni-zed. The general acceleration of shortening rate shows only shows a weak link to plate convergence rates in the earlystages until the Middle Miocene. In contrast, our results show that the differential velocity between upper plate velo-city and oceanic plate slab rollback velocity is crucial in determining amount and rate of shortening as well as theirlateral variability at the leading edge of the upper plate. This first order control is tuned by factors affecting the strengthbalance between the upper plate lithosphere and the plate interface of the Nazca and South American plates. Thesefactors particularly include a stage of reduced slab dip accelerating shortening (33 and 20 Ma) and an earlier phaseof higher trenchward sediment flux reducing plate interface coupling with slowed shortening and enhanced slab roll-back (45 and 33 Ma). The combination of these parameters (in particular differential trench-upper plate velocity evo-lution, high plate interface coupling from low trench infill, and the lateral distribution of weak zones in the upper plateleading edge) was highly uncommon during the Phanerozoic leading to very few plateau style orogens at convergentmargins like the Cenozoic Central Andes in South America or the Laramide North American Cordillera.

Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam

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genten Plattenränder im allgemeinen und die Anden imbesonderen entwickelt wurden (vgl. Abb. 1).

Bereits kurz nach seiner Gründung hat der SFB 267 mas-siv von seiner Einbindung in eine große Zahl anderernationaler und internationaler Programme mit verwand-tem Thema profitiert. 1995 startete das BMBF-finanzier-te Projekt CINCA (Crustal Investigations off- and on-shore Nazca/Central Andes, koordiniert durch die BGR)mit einer marinen Erforschung des nordchilenischen Plat-tenrandes mit dem Forschungsschiff „Sonne“ vor demHauptarbeitsgebiet des SFB. 1996 folgte in Zusammen-arbeit mit dem Deutschen Kontinentalen Reflexionsseis-mischen Programm (DEKORP, koordiniert durch GFZPotsdam) das gemeinsame Projekt ANCORP (AndeanContinental Research Program), das die erste tiefe refle-

xionsseismische Vermessung der zentra-len Anden lieferte – inzwischen eines der‚global transects‘ von IGCP (Internatio-nal Geoscience Correlation Programme).Im Jahr 2000 fand unter denselbenBedingungen SPOC (Subduction proces-ses off Chile), statt. Dieses war ein inte-griertes marines Experiment mit demForschungsschiff „Sonne“, koordiniertvon der BGR) vor dem patagonischenArbeitsgebiet des SFB. sowie ein landge-stütztes seismisches Experiment im süd-lichen SFB-Arbeitsgebiet. Alle diese Vor-haben wurden vom BMBF getragen so-wie teils vom GFZ kofinanziert. Schließ-lich findet seit 2004 im Rahmen des neugestarteten Programms „Kontinenträn-der“ („Geotechnologien“-Programm) dasProjekt TIPTEQ (The Incoming Plate tomegaThrust Earthquakes) mit einerReihe hochauflösender geophysikali-scher und anderer Projekte vor dem süd-chilenischen Kontinentrand statt (s. u.).

Ein weiteres Schlüsselelement war dieEntwicklung eines engen Netzwerkes mitWissenschaftlern und Institutionen derGastländer, in diesem Fall Argentinien,Bolivien und Chile. Durch die Vorge-schichte des SFB und auch noch währendseiner Laufzeit konnte in diesen Ländernein enger Verbund mit Wissenschaftlernan 12 Universitäten, 8 staatlichen Ein-richtungen (nationale Dienste, Fördera-genturen, etc.) sowie 8 nationalen undinternationalen Firmen (Erdölindustrieund Kupferindustrie) entwickelt werden.Die logistische und politische Unterstüt-zung durch diese Partner, die Bereitstel-lung von Daten und der intensive perso-nelle Austausch waren von unschätzba-rem Wert, ohne die zahlreiche Vorhabennicht möglich gewesen wären. Insgesamthaben im Rahmen des SFB in rund

Abb. 1: Die Karte von Südamerika zeigt die beiden Hauptarbeitsgebiete desSFB 267 und wichtige assoziierte Projekte (s. Text). Zusätzlich sind ange-geben die Verteilung des Ozeanbodenalters und der Benioff-Seismizität(weiße Punkte: Erdbeben flacher als 100 km; blaue Punkte: Erdbeben zwi-schen 100 und 400 km; violette Punkte: Erdbeben > 400 km). Map showing both principal research areas of the Collaborative reasearchcentre 267 in Northern and Southern Chile depicting also important asso-ciated projects. The topographic map also shows the distribution of ages ofthe ocean floor and the seismicity pattern of the Wadati-Benioff zone (whitedots: earthquakes shallower than 100 km; blue dots: earthquakes between100 and 400 km; violet dots: earthquakes deeper than 400 km).

Abb. 2: Blick vom Salar de Atacama (Längstal) auf die W-Flanke des Altiplanos mit dem Vulkan Licancabu (Foto:O. Oncken, GFZ)View from the Salar de Atacama (Longitudinal Valley) on thewestern flank of the Altiplano with the volcano Licancabu


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80 Dissertationsprojekten über 15 junge südamerikani-sche Wissenschaftler ihre Promotion in Berlin und Pots-dam abgeschlossen, finanziert durch den SFB und eineReihe weiterer Förderagenturen,. Darüber hinaus wurdenca. 30 Diplomarbeiten mit Unterstützung des SFB undbetreut durch Mitglieder des SFB an chilenischen undargentinischen Partneruniversitäten durchgeführt.

Die Anden

Die Anden sind mit 7500 km Länge das längste aktive Plat-tenrandgebirge der Welt und zugleich der „Typ-Vertreter“dieser Klasse von Orogenen. Trotz ihrer gemeinsamenEntwicklungsgeschichte zeichnen sich die verschiedenenSegmente der andinen Gebirgskette durch extreme Gegen-sätze in Bezug auf ihre Breite, Höhe und Klimabedin-gungen aus. Dies wird besonders bei einer Gegenüber-stellung der ausladenden Zentralen Anden und der sehrschmalen Patagonischen Anden deutlich. Die Höhe undBreite des Orogens ist im zentralen Bereich mit rund 4 bis6 km bzw. 800 km wesentlich größer als im Süden undNorden mit etwa 2 bis 4 km bzw. 200 bis 300 km. Trotzeiner inzwischen guten Kenntnis der geologischen undgeophysikalischen Rahmenbedingungen ist bislang unklar,weshalb solche fundamentalen Unterschiede existierenund welche Prozeßkombinationen dabei eine entschei-dende Rolle spielen.

Obwohl die Subduktion mindestens seit dem Jura andau-ert, und obwohl die Nazca-Platte seit längerem mit hohenGeschwindigkeiten (gegenwärtig mit ca. 6,6 cm/Jahr,Auermann et al. 1990) unter Südamerika subduziert wird,ist die Andenkordillere in ihrer heutigen Form erst imKänozoikum entstanden (Mpodozis & Ramos 1990,Dewey & Lamb 1992, Lamb et al. 1997) (s. Abb. 2). In denZentralen Anden hat sich seit dem Eozän östlich des Vul-kanbogens unter starker Krustenverkürzung ein breites,im Mittel 3,8 bis 4,5 km hohes Hochplateau (Altiplano-Puna) herausgehoben, das nach dem Tibetplateau daszweitgrößte Hochplateau der Erde ist (Allmendinger et al.1997, Lamb et al. 1997). Die Krustendicke nahm dabeivom normalen Ausgangszustand (35 bis 40 km) auf über70 km Dicke zu (s. Abb. 3). Gesteuert wurde diese Ent-wicklung durch eine Verkürzung und Stapelung der kon-tinentalen Erdkruste hinter dem Vulkanbogen (= West-kordillere) um mehr als 250 km, ein Bereich, der in ande-ren Subduktionsorogenen nicht von stärkerer Deforma-tion betroffen ist. Dagegen fehlt, anders als an den meis-ten anderen Rändern, eine nennenswerte Deformationzwischen Vulkanbogen und Tiefseegraben, d. h. demBereich, der wegen der unmittelbaren Nähe zur Subduk-tionszone und der seismisch aktiven Zone normalerweisedie meiste Deformation aufnimmt. Hier ist nur geringfü-gige Krustendehnung und -absenkung zu beobachten(Reutter et al. 1994). Diese insgesamt ungewöhnliche Ver-bindung von Umständen ist bislang nicht verstanden.

Im Süden, in den Patagonischen Anden, fehlt ein solchesPlateau. Damit geht eine Abnahme der Krustendicke von70 km unter den Zentralen Anden auf ca. 40 km unter denSüdanden einher, die selbst nur noch eine mittlere Höhe

von 1 bis 2 km erreichen. In den Zentralanden hat sich dermagmatische Bogen (Gipfelhöhe um 6 km) seit dem unte-ren Jura um ca. 200 km nach Osten verlagert. Er befindetsich heute auf dem Westrand des Hochplateaus. Im Gegen-satz hierzu ist der magmatische Bogen im Süden (Gipfel-höhe um 3 km) weitgehend ortsfest geblieben und befin-det sich in der heutigen Hauptkordillere (Abb. 4). DieDeformation der Erdkruste konzentriert sich hier, andersals im Norden, heute eher auf den Bereich vor dem Bogen.Insgesamt erfolgte aber auch hier, wie in den zentralenAnden, die Entwicklung zu einem Gebirge erst seit demmittleren Tertiär. Die Andersartigkeit im Aufbau derAnden in den verschiedenen geographischen Breiten, dieunterschiedliche Reaktion der kontinentalen Erdkrusteauf die laufende Subduktion ozeanischer Kruste und dieverschiedenen, damit zusammenhängenden Phänomeneenthalten die entscheidenden Hinweise auf die zugrunde-liegenden Steuerfaktoren.

Highlights und Resultate

In den zwölf Jahren des SFB 267 wurde eine integrierteGruppe geophysikalischer und geodätischer Experimentemit einer weltweit einmaligen Datendichte in den zentra-len Anden durchgeführt. Diese Projekte liefern gegen-wärtig zahlreiche neue Randbedingungen zu den Aspek-ten der Akkumulation und Verteilung der Deformation,sowie zu den fluid-abhängigen Prozessen an einem kon-vergenten Plattenrand. Insgesamt bieten diese Daten dasgegenwärtig tiefste und schärfste Abbild einer Subduk-tionszone.

Geophysikalische Bilder vom Subduktionsprozess

Seit der klassischen Arbeit von Isacks et al. (1968) gilt dievon Wadati und Benioff entdeckte tiefenabhängige Erd-bebenverteilung an den Grenzen der zirkumpazifischenKontinente als Ausdruck aktiver Plattentektonik und lau-fender Subduktion ozeanischer Kruste unter kontinenta-le, z. T. auch unter ozeanische Lithosphäre. Traditionellwird die sogenannte Wadati-Benioff-Zone dabei als dieeigentliche Plattengrenzfläche betrachtet, an der ein Teilder kinetischen Energie der Platten in seismische Defor-mation umgesetzt wird. Die Seismizität im höheren Teilder Subduktionszone (oberhalb ca. 50 km Tiefe), der soge-nannten seismogenen Zone, ist ein Effekt der Reibung unddes Zerbrechens von Gesteinen im kalten, spröden Bereichder Plattengrenze (Tichelaar & Ruff 1991). Die tieferenBeben, bis zu den tiefsten in ca. 650 km Tiefe, sind wegender hohen Temperaturen (T > 400 °C) nicht durch mecha-nische Bruchbildung erklärbar. Da ihre Lokalisierung inbezug auf die Subduktionszone nicht präzise genugbekannt ist, liegen auch noch keine eindeutigen bzw. eherkonkurrierende Modellvorstellungen vor (Kirby et al.1996).

Außer zahlreichen seeseitigen Messungen gibt es bislangkaum Versuche, einen aktiven Kontinentalrand mit refle-xionsseismischen Verfahren, dem geophysikalischen Ver-fahren mit dem höchsten Auflösungspotential zur Abbil-dung von Aufbau und Strukturen von Erdkruste und Erd-


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mantel, bis in größere Tiefen abzubilden. Die vorliegen-den Experimente (z. B. Banda-Bogen, Alaska, Alëuten,Kanadische Kordillere) waren alle nur in der Lage, dieoberen 30 bis 45 km abzubilden. Ein tieferes , vollständi-ges und hoch aufgelöstes Abbild einer Subduktionszone,das die Frage nach der Lokalisierung der Erdbebenakti-vität und der damit möglicherweise im Zusammenhangstehenden Prozesse beantworten kann, wurde erst durchdie ANCORP Working Group (2003) vorgelegt.

Ein Bündel seismischer Experimente auf Seeseite und aufLand sollte als gemeinsames Vorhaben mehrerer deutschergeowissenschaftlicher Einrichtungen und Universitätendiese Fragen klären (CINCA’95 und ANCORP’96; getra-gen von FU Berlin, TU Berlin, Uni Potsdam, GFZ Pots-dam, Bundesanstalt für Geowissenschaften, GEOMARKiel; vgl. Abb. 1). Ziel der Experimente war es, eine Abbil-dung der Subduktionserosion und der Subduktionszone bisin möglichst große Tiefen zu erzielen, die Lokalisierungder Seismizität an der Subduktionszone zu untersuchensowie Bildungsort und Aufstiegswege von Schmelzen undFluiden aus der Subduktionszone zu identifizieren.

Die aktive seismische Vermessung erfolgte durch regel-mäßig angeordnete Sprengstoffschüsse an Land bzw.durch Luftpulser auf See. Da das Ziel weniger eine Detai-lauflösung in der oberen Kruste, als vielmehr eine mög-lichst große Tiefenreichweite war, wurden an Land Bohr-lochschüsse mit 90 kg Sprengladung in gut 6 km Abstandals Quelle gewählt. Eine Auslage mit Meßapparaturen,verteilt entlang einer 25 km langen Linie, registrierte dieaus dem Untergrund unter der Auslage reflektierten Sig-nale dieser Schüsse (Steilwinkelseismik oder Reflexions-seismik). Für die begleitenden Weitwinkelmessungenwurden die Sprengungen an neun Schußpunkten etwa immittleren Abstand von 50 km mehrfach wiederholt, wäh-rend die 25 km lange Meßauslage von der Küste bis aufden Altiplano „wanderte“. Bereits zu einem früheren Zeit-punkt waren entlang derselben Linie auch wiederholtSchüsse auf See und Land abgetan und sowohl auf Seewie auf Land über mehrere 100 km Länge registriert wor-den. Auf diese Weise konnten die Messungen bis weit überden Tiefseegraben nach Westen fortgesetzt werden. DasErgebnis war eine insgesamt fast 800 km lange Linie übereinen vollständigen aktiven Plattenrand. Im Anschluß

Abb. 3: a) Zusammengesetzte Sektion aus den Weitwinkeldaten des CINCA-Experiments und den Steilwinkeldaten desANCORP-Experiments mit einem der ersten hochauflösenden Schnitte durch ein Subduktionsorogen. Auffällig sind derReflektor, der die abtauchende Nazca-Platte bis in ca. 80 km Tiefe zeigt, und die Gruppe von Reflexionsbündeln, diein der mittleren Kruste des Plateaus (ca. 20 bis 35 km Tiefe) angeordnet sind (aus: ANCORP Research Group, 2003).b) Das interpretative Blockbild zeigt die herausragende Rolle von Fluiden und Schmelzen im Bereich des andinen Plateaus.a) Composite section showing wide angle-results of the marine CINCA experiment and the reflection line ANCORP’96from the coast to the eastern rim of the plateau, both is forming one of the first high-resolution images of a convergentmargin system. Note deep image of the subducting Nazca plate and the alignment of reflection patches in the middlecrust beneath the plateau itself. b) Interpretive 3D view of Plateau and crustal architecture depicting the key role offluids and melts for the geophysical image.


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wurde mit den gleichen Apparaturen, nun netzförmig übereine Fläche von 300 x 300 km verteilt, die passive Regis-trierung der lokalen Erdbebenaktivität in einem großenNetz um die seismische Linie herum vorgenommen.

Abb. 3 zeigt die ersten Ergebnisse in besonderer Deut-lichkeit. Es handelt es sich um eine Bearbeitung der refle-xionsseismischen Daten, die einen geometrisch korrektenTiefenschnitt vom Tiefseegraben über den chilenischenKontinentalrand bis an den Ostrand des Plateaus in Boli-vien wiedergibt. Zusätzlich sind hier auch die lokalisier-ten Erdbeben dargestellt. Hier wird zum ersten Mal deut-lich, daß die Wadati-Benioff-Zone (d. h. die Zone der sub-duktionsbedingten Erdbeben) im Abschnitt mitteltieferBeben (80 bis 200 km) nicht – wie bisher angenommen –den Verlauf der eigentlichen Plattengrenze wiedergibt. Imobersten Teil bis 50 km Tiefe, der Zone seismischer Kopp-lung zwischen ozeanischer und kontinentaler Platte, ist dieseismische Deformation – d. h. reibungskontrollierte Erd-beben – auf eine breite Zone um die eigentliche Platten-grenze verteilt. Nach einem Bereich eher schwacher Seis-mizität erscheint eine starke Häufung bei etwa 100 bis 130 km Tiefe. Diese ist versetzt unterhalb der eigentlichenPlattengrenzfläche in Kruste und Mantel-Lithosphäre derozeanischen Platte. Dieser Versatz wird durch die refle-xionsseismischen Daten verdeutlicht: Das Abtauchen derozeanischen Kruste zwischen 40 und 80 km Tiefe wirdhier zum ersten Mal klar durch seismische Reflexionenabgebildet, die im Bereich der Untergrenze der seismi-schen Kopplung bei ca. 40 km einsetzen und sich mitzunehmender Stärke bis in über 80 km Tiefe verfolgen las-sen. Die Reflektoren brechen in etwa 130 km Entfernungvon der Küste in etwas mehr als 80 km Tiefe plötzlich ab.

In der kritischen Tiefe von 80 bis 100 km bei Temperatu-ren um 400 bis 500 °C (hier extrapoliert durch Modellie-rung aus Temperaturmessungen in Bohr-löchern an der Oberfläche) im Bereich derSubduktionszone werden gegenwärtigeine Reihe von mineralogischen Prozes-sen diskutiert, die die Beobachtungenerklären könnten (Peacock 1993, Kirby etal. 1996). Insbesondere die Umwandlungder basaltischen Gesteine (überwiegendaus Feldspat und Hornblende bestehend)der ca. 7 km dicken ozeanischen Krustezu Eklogit (überwiegend bestehend ausGranat und Pyroxen) verändert nicht nurdie spezifische Dichte der Kruste (von ca.2,9 g/cm3 zu 3,3 g/cm3). Diese Umwand-lung setzt auch das in den Ausgangsmi-neralen gebundene Kristallwasser frei,das – dem hydraulischen Gradienten fol-gend – nach oben entweicht. Es ist unklar,wie dies im einzelnen geschieht. Theore-tische Betrachtungen machen wahr-scheinlich, daß ein großer Teil dieser Flu-ide unmittelbar über der ozeanischenKruste der abtauchenden Platte im Erd-mantel der darüberliegenden kontinenta-len Platte Südamerikas wieder mineralo-

gisch fixiert wird (Serpentinit-Bildung aus dem Olivin desMantels). Dies würde wegen der damit verbundenen Volu-menzunahme die Wegsamkeit nach oben reduzieren, mitdem Effekt der Ansammlung von Fluiden, die nicht wei-ter entweichen können (ANCORP Working Group 2003).Dieser Effekt wird durch das seismische Experiment sicht-bar, da Fluide die petrophysikalischen Gesteinseigen-schaften besonders stark beeinflussen. Sie sind sehr vielbesser in der Lage, starke Reflexionen zu erzeugen alsbloße Änderungen in der Gesteinszusammensetzung.Dies geschieht in erster Linie über die Reduktion der Lauf-zeiten seismischer Wellen, was über freie Fluide im Poren-raum der Gesteine besonders effizient erfolgt. Das Ver-schwinden dieses starken Reflektors in einer Tiefe vonüber 80 km bei Temperaturen über 500 °C hängt vermut-lich wiederum mit der oberen Stabilitätsgrenze von Ser-pentinit zusammen. Die durch seine Bildung kontrollier-te Fluidfalle wird bei Temperaturen oberhalb ca. 500 bis

Abb.4: Blick vom Längstal auf die südchilenische Haupt-kordillere mit dem Vulkan Llaima (Foto: H. Echtler,GFZ).View from the Longitudinal Valley on the Southern Chile-an maincordillera with the Llaima volcano

Abb. 5: Die Analyse der Dämpfung von P-Wellen von seismischen Ereig-nissen aus der Wadati-Benioff-Zone zeigt einen Bereich hoher Dämpfungunter dem magmatischen Bogen und des Plateaus, der sowohl den Erd-mantel als auch die Kruste erfaßt und stets Nester von Seismizität in derUnterplatte mit aktiven Vulkanen in den Anden verbindet (aus Schurr et al.,2006).Analysis of attenuation of p-waves of seismic events from the Wadati BenioffZone indicates a high attenuation anomaly underlying the volcanic arc aswell as the plateau and encompassing the mantle as well as the crust of theupper plate. The zone mostly connects clusters of Wadati Benioff seismicityat depth and active volcanoes at surface (from Schurr et al., 2006).


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600 °C gewissermaßen undicht und gibt ihren Inhalt nachoben ab.

Der Bereich der unter diesem abbrechenden Reflektor lie-genden Seismizität hängt vermutlich ebenfalls mit fluid-gesteuerten Vorgängen zusammen. In diesem Fall bildetsie indirekt die oben erwähnte mineralogische Umwand-lung zu Eklogit in der ozeanischen Kruste bzw. die Ent-wässerung des ozeanischen Erdmantels ab. Die freige-setzten Fluide erhöhen den inneren Porendruck im Gesteinbis zur hydraulischen Bruchbildung, die als seismisches

Ereignis registriert wird. Ein Teil der durch diese Vorgän-ge freigesetzten Fluide gelangt in den heissen Mantel unterdem Vulkanbogen, wo er die Bildung von Teilschmelzenbegünstigt, die ihrerseits in die Erdkruste aufsteigen undden Vulkanismus an der Erdoberfläche kontrollieren. ImFeldexperiment wurde dies vor allem durch die Dämpfungseismischer Wellen bei ihrem Durchlaufen unter dem Vul-kanbogen deutlich. Die Verteilung der seismischen Appa-raturen während des passiven seismischen Experimentesan der Erdoberfläche erlaubte dabei eine direkte Vermes-sung dieses Bereichs: Er ist geprägt von Teilschmelzbil-

Abb. 6: Die obere Linie zeigt die Variation des Oberflächenwärmeflusses von der Küste bis quer über das gesamte Pla-teau. Der mittlere Schnitt zeigt prozessierte „Receiver Function“-Resultate (konvertierte Wellen von teleseismischenEreignissen), um einen korrekten Tiefenschnitt zu liefern. Neben der abtauchenden Nazca-Platte (s. auch Benioff-Seis-mizität mit grünen Punkten) und der Basis der Kruste (Moho) unter den Anden zeigt der Schnitt insbesondere einebedeutende, das ganze Plateau unterlagernde Anomalie, die die Reflexionsmuster von ANCORP miteinander verbindet(von Yuan et al., 2000). Der untere Schnitt zeigt die elektrische Leitfähigkeit der Kruste der Anden mit einer bedeu-tenden Anomalie unter dem Plateau, deren Oberkante mit den Reflexionen und der aus den Receiver-Function-Datenermittelten Altiplano-Niedriggeschwindigkeitszone entspricht (s. Abb. 3b für die Interpretation; aus ANCORP Rese-arch Group, 2003). The upper line shows variation of surface heat flow data across the Andes. Central section depicts receiver functionresults across the Andes as calculated from teleseismic events. Apart from the geometry of the subducting Nazca plate(see also Wadati Benioff seismicity, green dots) and the Moho of the South American plate the section exhibits an impor-tant anomaly in the middle crust linking the ANCORP reflection patches (Altiplano low velocity zone; from Yuan et al.,2000). Lower section depicts the electrical conductivity of the plateau which shows a first order anomaly, the top ofwhich correlates with the reflection patches and the ALVZ of the receiver functions (see Fig. 2b for interpretation; fromANCORP Research Group, 2003).


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dung, die sich von der seismisch besonders aktiven Zoneder Subduktionszone bis knapp unter die aktiven Vulkanean der Oberfläche hinzieht und somit den Bildungsort wieden Pfad der Schmelzen direkt anzeigt (s. Abb. 5).

Ein weiteres prägnantes Phänomen ist der starke Reflek-tor unmittelbar westlich der aktiven Vulkanzone in etwa20 bis 25 km Tiefe, über den oben beschriebenen Phäno-menen in der Subduktionszone. An der Oberfläche korre-liert dieser Reflektor mit dem Westrand des Altiplano-Hochplateaus, warmen Quellaustritten und mineralisier-ten Störungen sowie den größten Kupferlagerstätten derErde. Ein Zusammenhang von Fluidanreicherungen mitder extrem reflektiven Zone ist daher auch hier sehr wahr-scheinlich. Bei den für seine Tiefe model-lierten Temperaturen um 500 °C ist zuerwarten, daß durch die aufsteigenden,abkühlenden Fluide in der kontinentalenKruste insbesondere Chlorit (ein wasser-haltiges Mineral, das bei Temperaturenunterhalb ca. 500 °C stabil ist) gebildetwird. Auch in diesem Fall ist die Mine-ralreaktion mit einer Volumenzunahmeund damit einer Reduktion der Porositätverknüpft. Der Effekt der Bildung einerimpermeablen Fluidfalle ist derselbe wiefür den tiefen Reflektor beschrieben. Dielaterale Begrenzung ist in diesem Falleine tiefreichende aktive Verwerfung imWesten, an der Oberfläche durch starke

Mineralisationen gekennzeichnet, und der aktive Vulkan-bogen im Osten – beides Strukturen, die die Durchlässig-keit der Kruste für die Fluide wieder herstellen.

Die Daten liefern neben einer Abbildung der Komplexitätder Wadati-Benioff-Zone und ihrer Steuerung durch flu-idgetriebene Prozesse Hinweise darauf, daß die Gabbro-Eklogittransition zu größeren Tiefen verschoben ist. Dassteht im Einklang mit theoretischen Vorhersagen zu kine-tisch verzögerten Reaktionen. Die meisten geophysikali-schen Phänomene im darüber liegenden Mantel und derKruste der Oberplatte werden wahrscheinlich von durchFluide und Schmelzen gesteuerten petrologischen Pro-zessen im Zusammenhang mit der Subduktion und der

Abb. 7: Die Karte zeigt das Ausmaß, mitdem an der Altiplano-Niedriggeschwin-digkeitszone (ALVZ) P-Wellen zu S-Wel-len konvertiert wurden, aus den Receiver-Function-Resultaten sowie die räumlicheBeziehung zum Auftreten von Vulkanismus(blaue Dreiecke: Andesitvulkane; schwar-ze Kreise: Ignimbritcalderen; aus Yuan et al., 2000). Der untere Schnitt zeigt einModellierungsergebnis, das darauf hin-weist, daß ein konvektiver Wärmetrans-port in der Erdkruste mit dem Aufschmel-zen der mittleren Kruste als Ursachesowohl für die Reflexionsmuster als auchals Quelle für die Ignimbritschmelzenherangezogen werden muß (aus Babeykoet al., 2002). This map shows the efficiency of conver-sion of P-waves into S-waves at Altipla-no low velocity zone as deducted fromreceiver function analysis as well as theirspatial relation to volcanism (blue trian-gles show andesite volcanoes; black cir-cles indicate ignimbrite calderas; fomYuan et al., 2000). Lower section showsmodelling result which indicates thatconvective heat transfer in the crust is res-ponsible for reflection patches as well asfor the source of ignimbrite melts (fromBabeyko et al., 2002).


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Delamination der Mantellithosphäre kontrolliert. So ver-weisen die geophysikalischen Ergebnisse insbesondereauf die verbreitete Anwesenheit von Schmelzen in dermittleren Kruste unter dem gesamten Altiplano-Puna-Pla-teau (Abb. 6, 7). Diese Beobachtung ist im Einklang mitder Analyse der mechanischen Rigidität, beruhend auf derAnalyse der Schweremessungen, die ebenfalls auf eineschwache Lithosphäre verweisen. Die Lithosphäre istzudem unter dem zentralen Plateau ausnehmend dünn undstellt damit eine mechanische Schwächezone erster Ord-nung in der Oberplatte dar. Die Deformation des Altipla-no und der Puna wurzelt in dieser Tiefe, wie Oberflä-chendaten, industrieseismische Daten und Bilanzierungs-studien zeigen – ohne Fortsetzung der Strukturen in dietiefere Kruste. Tomographische Daten in Verbindung mitgeochemischen Analysen von vulkanischen Gesteinensuggerieren darüber hinaus, daß Teile der kontinentalenMantel-Lithosphäre der Puna rezent delaminiert werden(Abb. 8).

Somit kann erstmals – gestützt auf diese Beobachtungen –eine gesamte Konvergenzzone in hoher Auflösung beob-achten werden: die laterale Komplexität in der Fluidfrei-

setzung aus der ozeanischen Platte, ihre Verbindung mitder Wadati-Benioff-Seismizität (d. h. ein Hinweis aufDehydratationsversprödung als wichtigem Mechanismus),und der Aufstieg der Fluide und Schmelzen zu den vulka-nischen Zentren an der Oberfläche. Die Daten zeigen eineinsgesamt sehr viel höhere Komplexität, als aus Standard-modellvorstellungen erwartet wird. Obwohl diese Resul-tate erhebliche Ähnlichkeiten mit den Eigenschaften desTibetplateaus besitzen, betonen sie darüber hinaus insbe-sondere die herausragende Rolle, die fluidgesteuerte Vor-gänge bei der Subduktionsorogenese und der Bildung einesnicht-kollisionalen Plateaus haben. Andererseits habendemnach die Plateaubildungen in verschiedenen geodyna-mischen Randbedingungen zahlreiche gemeinsame Züge,so den thermischen Zustand der Kruste, den partiellen Ver-lust der Mantellithosphäre und eine weiträumige Auf-schmelzung der tieferen bis mittleren Erdkruste.

Deformation und Plateaubildung

Die geophysikalischen Ergebnisse werden von einer zu-nehmenden Anzahl quantitativer oberflächenbezogenerBeobachtungen begleitet, die darauf verweisen, daß die

Abb. 8: Die tomographische Untersuchung der zentralen Anden zeigt in einem ausgewählten Schnitt die Fluid- undTemperaturverteilung im Mantel unter der andinen Kruste. Die Kruste der Anden und der Nazca-Platte enthält nurdie Geschwindigkeitsanomalien der P-Wellen. Die Entwässerung der abtauchenden Nazca-Platte wird außer in den„nassen“ Bereichen des Mantels in der Isotopensignatur des Elements Bor an der Oberfläche deutlich, das auf eineHerkunft aus Meereswasser hinweist. Im Temperaturbild zeigt die östliche kalte (und trockene) Zone Hinweise aufAblösung der Mantellithosphäre von der überlagernden andinen Kruste (aus Sobolev et al., 2006 und Rosner et al.,2003).Tomographic data of Central Andes inverted for fluid-content and temperature. Note that crust of Central Andes andof Nazca plate only exhibits p-wave velocity anomalies. Dehydration of Nazca plate is imaged by a ,wet‘ zone in themantle and by the isotopic composition of boron at the surface that originated from subducted sea water. The tempe-rature image of the cool (and dry) eastern zone indicates ongoing delamination of mantle lithosphere from the overly-ing Andean crust (from Sobolev et al., 2006, and Rosner et al., 2003).


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Deformation des Plateaus und seiner Randbereiche sehreng mit z. T. thermisch bestimmten Schwächezonen dersüdamerikanischen Platte zusammenhängen. Diese wer-den z. B. deutlich durch die Vermessung des aktuellenDeformationsfeldes mit Hilfe der GPS-Technologie überca. 10 Jahre, die nicht nur die Dominanz des seismischenZyklus am Plattenrand dokumentiert, sondern auch zeigt,daß der magmatische Bogen eine Trennung zwischen demVorbogenbereich und dem Rückbogenbereich darstellt.Während der Vorbogenbereich weitgehend elastischdeformiert wird,findet am Rückbogenbereich einr lang-sam-permanente Deformation statt (Abb. 9). Gleichzeitigist der stete Massenfluß in den Rückbogenbereich hinein

ein wesentlicher Steuerfaktor für das laterale Expandie-ren des Plateaus (s. Abb. 10).

Aus detaillierten geologischen Felddaten kann darüberhinaus erstmals eine quantitative Rekonstruktion derGeschwindigkeiten der Deformation mit hoher zeitlicherund räumlicher Auflösung für ein gesamtes Orogen her-gestellt werden. Diese erlaubt eine präzise Korrelation mitZeitreihen anderer plattentektonischer, stofflicher oderthermischer Prozesse, um die in der Literatur vielfach kon-trovers diskutierten Steuerfaktoren für die Bildung derAnden zu identifizieren (s. Abb. 11). Anders als die geo-physikalischen Daten suggerieren, sind thermischer Zu-

Abb. 9: Die linke Abbildung zeigt das GPS-Verschiebungsfeld der gesamten Zentralen und Südlichen Anden und seinePrägung durch den seismischen Zyklus. Der größte Teil des Plattenrandes befindet sich im interseismischen Zyklus undwird elastisch komprimiert. Das Antofagastabeben von 1995 wird klar durch die elastische Relaxation mit einer coseis-mischen Verschiebung von ca. 80 cm nach Westen angezeigt, der Bereich mit dem weltweit stärksten historisch aufge-zeichneten Beben von Valdivia (1960, Magnitude 9.5) dagegen zeigt heute noch postseismische viskoelastische Rela-xation. Die rechte Abbildung zeigt die aktive Verformung nach Abzug der elastischen Deformation und die Geometrieder Zone seismischer und mechanischer Kopplung zwischen Nazca-Platte und südamerikanischer Platte (aus Klotz etal., 2001).The left map shows the GPS-displacement field over the past decade and ist predominance by the seismic cycle. Mostof the plate margin is in the interseismic stage and deformed elastically. The Antofagasta earthquake from 1995 isobvious from coseismic elastic strain release of some 80 cm to the west, the area of the strongest historically observedearthquake on Earth from Valdivia (1960, magnitude 9.5) is still in a stage of viscoelastic relaxation. The map on theright depicts the residual strain after removal of the elastic interseismic component and illustrates the above two rup-ture areas as well as the geometry of the underlying seismic and mechanical coupling zones between both plates (fromKlotz et al., 2001).


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stand und Schmelz- bzw. Fluidverteilung keine der ent-scheidenden Faktoren. Zwar beeinflussen sie die lateraleVerteilung von Deformation, nicht jedoch ihr Einsetzenoder die zeitliche Entwicklung. Als ähnlich irrelevanterweist sich die vielfach vorgeschlagene Konvergenzge-schwindigkeit zwischen den Platten. Das aus GPS-Datenund 3D-Bilanzierung der Deformation abgeleitete, ober-flächennahe Verschiebungsfeld des gesamten Bereichsöstlich des Vulkanbogens, erscheint seit Heraushebungder andinen Kordillere erstaunlich gleichförmig mit einerBeschleunigung der Verkürzungsraten trotz einer Ver-langsamung der Plattenkonvergenz seit dem Miozän.Dagegen zeigt sich, daß vor allem die absolute Driftge-schwindigkeit der Oberplatte und die mechanisch be-grenzte Fähigkeit der Unterplatte zum trench/slab-roll-back die kritischen Größen sind, die die Deformation einesPlattenrandes bestimmen. Feldbeobachtungen belegendarüber hinaus eine strenge Systematik von lokalisierten,hohen Deformationsraten und darauf folgendem aktivemVulkanismus im Zusammenhang mit krustalem Auf-schmelzen. Das Deformationsmuster der gesamten Krus-

te zeigt zudem, daß die Verdickung derKruste nahezu ausschließlich durch tek-tonische Verkürzung zustande kommt;dies ist vermutlich mit einem hohenAnteil eines weiträumigen orogenparal-lelen Massenflusses in der Unterkrusteverbunden. Eine zentrale Ergebnis dieserAnalyse ist demnach, daß das in Gestei-nen gespeicherte Gedächtnis oder ihrgeophysikalisches Abbild nicht die Fak-toren erster Ordnung zu identifizie-ren erlaubt, die für die Deformations-geschichte verantwortlich waren. Die ge-speicherten oder abgebildeten Informa-tionen geben uns allenfalls Hinweise auf die Mechanismen, welche die latera-le Verteilung der Deformation gesteuerthaben.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist dieNiederschlagsverteilung auf der konti-nentwärtigen Ostseite der Anden. ImNorden findet bei subtropischen Nieder-schlägen erhebliche Erosion statt, wäh-rend die semi-aride Ostseite im Südennur sehr begrenzte Erosion erfährt. ImNorden ist eine sehr breite Deforma-tions-zone mit Krustenverkürzung vonüber 250 km entstanden, im Südenbeträgt die Verkürzung weniger als 40 km, nicht ausreichend zur Bildungeines Plateaus (Abb. 12). Im Norden wieim Süden korrelieren die Bereiche höhe-rer Niederschläge mit stärkerer Erosion,die seit dem Oligozän z. T. mehr als 5 kmbeträgt.

Diese Zusammenhänge verweisen aufeinen Mechanismus, der in den letztenJahren zunehmend in die Diskussion

gerät. Es ist seit langem bekannt, daß Niederschläge inihrer räumlichen und zeitlichen Verteilung die erosive Zer-störung von Gebirgen betreiben (Keller & Pinter 1996).Gleichzeitig erzeugt jedoch die Bildung einer topogra-phischen Barriere ein Hindernis, das erheblich auf dieatmosphärische Zirkulation rückwirkt und damit auch zurNiederschlagsbildung beiträgt. Zusätzlich zeigen neueretheoretische Betrachtungen, daß aktive Gebirge dazu nei-gen, einem stationären Gleichgewicht zuzustreben. D. h.die niederschlagsabhängige Erosion und der Massenver-lust an der Oberfläche wird wieder ausgeglichen durchinterne Deformation der Erdkruste, durch die wiederneues Material tektonisch nach oben befördert wird.Damit wird nicht nur der erosiven Zerstörung entgegen-gewirkt, sondern ein Gleichgewicht zwischen Topogra-phie, atmosphärischer Zirkulation und Niederschlagsver-teilung, niederschlagsabhängiger Erosion und Deforma-tion hergestellt. Dieser Aspekt ist wahrscheinlich einewichtige zusätzliche Erklärung, warum Deformation undniederschlagsabhängige Erosion an der Oberfläche stetszusammenzuhängen scheinen.

Abb. 10: Das Best-fit-Ergebnis der Modellierung des Materialflusses undder Verteilung der Deformation in den zentralen Anden zeigt die zentraleRolle der mechanischen Entkopplung an der Basis und des aus Osten her-angeführten Materials mit einem Wechsel von homogener Verkürzung zueiner Verlagerung der aktiven Deformationszone an die Ostflanke des Pla-teaus (aus Vietor und Oncken, 2005).The best-fit result of modelling the material flux and distribution of defor-mation in Central Andes underscores the role of mechanical decoupling atthe base of the orogen and of the incoming material from the east with achange from pervasive shortening of the proto-plateau area to a shift of acti-ve deformation towards the eastern plateau flank (from Vietor and Oncken,2005).


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Abb. 11: Korrelation verschiedener Zeitreihen zur Ana-lyse der Steuerfaktoren der Andenbildung für den Zeit-raum des Känozoikums. a) Entwicklung der tektoni-schen Verkürzungsgeschwindigkeiten der Anden ausgeologischen Daten. b) Konvergenzgeschwindigkeit derzwischen Nazca-Platte und südamerikanischer Plattesowie Entwicklung der Konvergenzschiefe zeigt keineKorrelation zur Deformation der Anden. c) Sehr guteKorrelation zwischen Deformation der Anden und abso-luter Westdrift Südamerikas bei (d) nur geringer Fluk-tuation der Verlagerung der Subduktionszone. e) Ratender Subduktionserosion aus den Raten der Verlagerung

des Vulkanbogens. f) Vulkanischer Fluß und Verkürzungsgeschwindigkeit der Anden sind nicht korreliert. g) Die Schein-korrelation zwischen globaler Abkühlung und Zunahme der Verkürzungsgeschwindigkeit wird offenbar, wenn die dazunotwendige Entwicklung der Füllung des Tiefseegrabens rekonstruiert wird (h; aus Oncken et al., 2006).Correlation of various time series data analyzing the principal factors controlling the deformation of the Central Andesduring the Cenozoic. a) Evolution of shortening rates from geological data. b) Convergence velocities between Nazcaplate and South America as well as obliquity exhibit no correlation with Andean shortening. c) Very good correlationbetween Andean shortening rates and (d) absolute drift velocity of South America at nearly stable retreat of subduc-tion hinge. e) Rates of subduction erosion as inferred from retreat of the volcanic arc through time. f) Volcanic flux, i.e.thermal state of upper plate, is uncorrelated with shortening velocity. g) Apparent correlation between global coolingand evolution of shortening rate is obvious from analyzing the evolution of trench fill which shows no relevant trend(h; from Oncken et al., 2006).


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Tektonische Materialumlagerung, Krustenwachs-tum und Klimaentwicklung

Das inzwischen dichte Netz meeresgeophysikalischerVermessungen der Kontinentalränder hat in den letztenJahren eine zentrale Erkenntnis gefördert: Entgegen derbislang vorherrschenden Vermutung werden nur etwa bei30 % aller aktiven Plattenränder die Sedimente, die aufder ozeanischen Kruste und in den Tiefseegräben abgela-gert wurden, durch Abscherung an der Spitze oder unterden Rand der kontinentalen Erdkruste tektonisch angela-gert (v. Huene & Scholl 1991). Nur im Fall der Anlage-rung wird zusätzlich zur Einlagerung von Magmen ausdem Erdmantel die kontinentale Kruste langsam wachsen.Gegenüber diesen sogenannten akkretionären Rändern istdie Mehrheit nicht nur nicht-akkretionär. Meistens sindsie sogar durch Subduktionserosion geprägt: ein stetigesAbraspeln kontinentalen Materials von der Unterseite derKontinente durch die in die Tiefe subduzierte ozeanischeErdkruste führt zu einer langsamen Vernichtung konti-nentaler Kruste mit typischen Raten von etwa 1 bis 4 kmKrustenbreite pro Mill. Jahre. Für die Krustenwachs-tumsbilanz während der Erdgeschichte, die chemischeEntwicklung des Erdmantels und für magmatische Pro-

zesse hat dieser letzte Prozeß wahrscheinlich erheblichesGewicht. Diese verschiedenen Formen der Materialum-lagerung an aktiven Rändern, die sich in jeweils ver-schiedenen Phänomenen äußern, haben darüber hinausvermutlich großen Einfluß auf eine Vielzahl von ande-ren Prozessen am und im jeweiligen aktiven Kontinen-talrand.

Durch Kollision von Kontinenten hervorgegangene Gebir-ge (z. B. Himalaya, Alpen) sind vor allem durch tektoni-sche Anlagerung und Stapelung der kontinentalen Ge-steinseinheiten beider Platten geprägt. Bei durch Sub-duktion geprägten aktiven Plattenrändern können sich hin-gegen ganz unterschiedliche Muster von Materialumla-gerung zeigen. Gebirge sind damit nicht nur direkte Anzei-ger und auch Spuren von ehemaligen aktiven Plattenrän-dern (vor der Kollision), sondern sie enthalten auch das entscheidende Gedächtnis der Bedingungen, welche die Materialtransportprozesse an aktiven Plattengrenzenbestimmen.

Bei den Anden läßt sich exemplarisch zeigen, daß sichmehrere Bereiche von tektonischer Erosion bis zu tek-tonischer Akkretion von Norden nach Süden ablösen

Abb. 12: Der Unterschied im geophysikalischen Aufbau, der Topographie und der tektonischen Verkürzungsgeschich-te von zentralen und südlichen Anden hängt mit ihrer Lage in verschiedenen Klimagürteln zusammen, wie der Vergleichder Receiver-Function-Daten in den beiden Schnitten mit dem Bild der Niederschlagsverteilung (rot: arid; blau: hoheNiederschläge) als Index für die Effizienz von Erosion und Sedimenttransport in den Tiefseegraben zeigt. The difference in geophysical architecture, topography, and shortening of Central and Southern Andes is related totheir respective positions in various climate belts. This becomes obvious from correlating the receiver function sec-tions indicating crustal thickness and architecture with map of precipitation (red: arid; blue: high precipitation rates)as a proxy for efficiency of erosion and sediment transport towards the trench.


(vgl. Abb. 13). Die Zentralen Anden gelten inzwischenals Typvertreter subduktionsgesteuerter Orogene, andenen tektonische Erosion vor der Akkretion von Sedi-menten und Krustensplittern dominiert (v. Huene &Scholl 1991). Bei diesem Vorgang sind in den zentralenAnden seit dem Jura (vor 140 bis 200 Mill. Jahren) über200 km kontinentale Kruste vernichtet worden, wobeider Verbleib dieser tektonisch erodierten Krustenanteileungeklärt ist. Zur Folge hatte diese Erosion des Konti-nentalrandes, daß der vulkanische Bogen seit dem Juraum 200 km nach Osten in seine heutige Position wan-derte (Ziegler et al. 1981, Reutter et al. 1994). Das unge-wöhnliche Deformationsverhalten des kontinentalenRandes westlich des Vulkanbogens (Absenkung unterDehnung) ist ebenfalls auf den Einfluß des tektonischenAbraspelns von Material an der Unterseite der konti-nentalen Erdkruste zurückzuführen.

Experimentelle und theoretische Studien der letzten Jahregeben einen Hinweis, welche physikalischen Parameterdiese Materialbewegungen steuern. An einer Subduk-tionszone wird insbesondere die kinetische Energie dermit einigen Zentimetern pro Jahr driftenden ozeanischenPlatten über die mechanische Koppelung an der Subduk-tionszone auf die kontinentale Platte übertragen; diese rea-giert entsprechend ihrer Eigenschaften (Tichelaar & Ruff1991). Die Festigkeit der Subduktionszone, d. h. ihre Rei-bung bzw. Viskosität, steuert dabei nicht nur die Art des Akkretionsverhaltens am Plattenrand, sondern wahr-scheinlich auch die Intensität der seismischen Aktivitätund die Effizienz, mit der die Oberplatte deformiert wer-den kann. Eine wichtige Rolle hat dabei der Gehalt an Fluiden (Gase, wässrige Lösungen und Schmelzen) imGestein sowie der Wärmehaushalt und die stofflicheZusammensetzung der Gesteine, welche die ozeanische

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Abb. 13: Experimentelle Resultate aus Analogexperimenten belegen die herausragende Rolle, die die Sedimente im Tief-seegraben für den tektonischen Massenflußmodus am Plattenrand haben, und zeigen, dass dessen Variation am andinenRand in erster Linie von der klimaabhängigen Entwicklung der Tiefseegrabenfüllung seit Vereisung der Südhemisphäre(seit ca. 6 Mio Jahren) gesteuert wird (aus Lohrmann, 2003, und Kukowski und Oncken, 2006).Experimental results from analogue simulation studies indicate the dominant role of trench sediment thickness for tec-tonic mass flux mode at convergent margins. Observations at the Andean margin clearly demonstrate that climate-con-trolled development of trench fill since southern hemisphere glaciation (since c. 6 Myrs) is responsible for spatial andtemporal variations of observed mass flux (from Lohrmann, 2003, and Kukowski and Oncken, 2006).


und die kontinentale Kruste aufbauen. Der Schlüssel zumVerständnis der Vorgänge an aktiven Kontinentalrändernliegt damit insbesondere im Verständnis der Mechanik derPlattengrenzfläche selbst und der Faktoren, die hieraufEinfluß nehmen.

Als Schlüsselfaktor wurde vom SFB 267 das Klima iden-tifiziert. Das trockene Klima in den Zentralen Anden führtdazu, daß die Tiefseerinne vor den Zentralen Anden nahe-zu sedimentfrei ist (Ziegler et al. 1981, Bangs & Cande1997). Die Plattengrenzfläche wird hier also nicht mitmächtigen, wasserhaltigen Sedimenten „geschmiert“, son-dern besitzt eine hohe Reibung. Im Bereich des westlichenAltiplano und in der von seinem Rand bis zur Küste rei-chenden Atacamawüste (Niederschläge < 50 mm/J.) wird

seit langem praktisch kein Material durch Niederschlägeerodiert und in die Tiefsee transportiert. An der West-flanke der Südanden dagegen, bei Niederschlägen von > 3000 mm/J., wird sehr viel Material erodiert, in den Tief-seegraben verfrachtet und teilweise zum Aufbau einesakkretionären Keils verwendet (Bangs & Cande 1997).Das subduzierte Material dient zudem zum „Gleiten“ undzur Schwächung der Plattengrenzfläche.

Der Sedimentkeil im Süden hat allerdings nur die in denletzten ca. 3 Mill. Jahren im Tiefseegraben abgelagertenSedimente aufgenommen (Bangs & Cande 1997). DieSüdanden gelten daher als zumindest zeitweise akkretio-närer Rand. Hier ist der Wechsel zur Akkretion mit derVergletscherung der Patagonischen Anden seit etwa 5 bis

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Abb. 14: Die Analyse der Verkürzungsgeschwindigkeiten entlang der Anden zeigt eine drastische Abnahme der Ratenund sogar eine Beendigung der Verkürzung seit Beginn der hohen Sedimentschüttung in den Tiefseegraben mit Beginnder Vereisung der Südanden (aus Vietor und Echtler, 2006).Analysis of shortening rates along the Andes exhibits a drastic decrease of rates or even termination of shortening fol-lowing onset of high sediment flux rates to the trench from glaciation of southern Andes (from Vietor and Echtler, 2006).


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6 Mill. Jahren gesteuert worden. Zugleich hat mit der Fül-lung des Tiefseegrabens das Deformationsverhalten dersüdamerikanischen Platte eine fundamentale Wandlung indiesem Bereich erfahren. Die bessere „Schmierung“ derPlattengrenzfläche durch die wasserreichen Sedimenteführte zur Beendigung der Verkürzung in der Hauptkor-dillere und zur Hebung der Küstenkordillere durch dasunterplattete Material. In der Tat konnte also gezeigt wer-den, dass der Materialflußmodus im wesentlichen von derklimaabhängigen Sedimentflußrate in den Tiefseegrabenabhängt, Klimaänderungen mithin einen maßgeblichenEffekt auf fundamentale geodynamische Vorgänge haben.

Gegenüber bisherigen Vorstellungen, die, wie oben er-wähnt, eine lokale Beziehung zwischen Klima und Teto-nik herstellen, zeigen unsere Resultate, daß eine sehr vielbedeutendere Beziehung auf indirekte Weise hergestelltwird: Sowohl der Massenflußmodus am Plattenrand (tek-tonische Erosion versus Akkretion) wie das kinematischeRegime in der Oberplatte (Verkürzung versus Dehnung)werden über den Umweg der klimaabhängigen Sedi-mentfüllung des Tiefseegrabens gesteuert. Hierin liegtvermutlich einer der entscheidenden Gründe, warum sichZentrale Anden und Südanden so grundsätzlich vonein-ander unterscheiden (Abb. 14).

Zusammenfassung

An einer Subduktionszone greift eine Vielfalt verschie-dener Prozesse und Phänomene ineinander, gesteuert vonwenigen fundamentalen Aspekten. Der rote Faden, so zei-gen die Resultate des SFB 267, sindimmer wieder die mechanische Festigkeitder Plattengrenzfläche selbst und deskontinentalen Plattenrandes, die Bewe-gungsgeschwindigkeiten der ozeanischenund der kontinentalen Platte, der tekto-nische und klimagesteuerte Massentrans-fer und der Einfluß der verschiedenenFluide (Abb. 15).

Diese Aspekte sind jeweils nicht unab-hängige Parameter, sondern stets wech-selseitig miteinander in rückgekoppeltenUrsache-Wirkungs-Kreisen verbunden.So wie unter konstanten äußeren Bedin-gungen ein Orogen dabei einem Gleich-gewichtszustand zustrebt, der insbeson-dere durch den Masseninput und -outputvon außen beeinflußt werden kann, stehtder klimatisch gesteuerte erosive Mas-sentransfer in Wechselwirkung mit derEntwicklung der Topographie und derDeformation der Erdkruste. Schließlichspielen die Mengen, Raten und Verteilungder tektonischen Materialakkretion oderErosion im Bereich vor und hinter demmagmatischen Bogen eines Orogens eineweitere, wesentliche Rolle. Sie beeinflus-sen – wie der klimatisch gesteuerte ero-sive Massentransfer – vor allem die Geo-

metrie und Massenverteilung des Orogens und kontrol-lieren somit sein Deformationsverhalten. Demgegenübersteuert der Eintrag von Fluiden und Schmelzen von derozeanischen Platte in die kontinentale Platte hinein vorallem direkt das Temperaturfeld in der Lithosphäre unddie mechanischen Schlüsseleigenschaften der Gesteineund damit die Orogenentwicklung.

Diese Resultate erweitern und modifizieren, vielfacherheblich, früher vorgebrachte, meist kontrovers disku-tierte Vorstellungen:

a) die enge Verbindung zwischen Initiierung und Stil derDeformation mit Zeitpunkt und Anwesenheit intrakrus-taler Schmelzen wird nach unserer Ansicht überschätzt;

b) die Beobachtung, daß Klima und Tektonik lokal ge-koppelt sind – nach unserer Ansicht ist die Fernwir-kung über den klimatisch kontrollierten Massenfluß inden Tiefseegraben bedeutender für die Steuerungsowohl des tektonischen Massenflußmodus (tektoni-sche Erosion versus Akkretion) als auch für die Beein-flussung der Deformationsraten in der Oberplatte;

c) die Vermutung, daß die Plateaubildung fast ausschließ-lich durch tektonische Verkürzung in Verbindung mitpartiellem Verlust der Mantellithosphäre kontrolliertwird;

d) die Rolle des advektiven Wärmetransportes mit einemsehr komplexen Modus als wesentlichem Steuerfaktor

Abb. 15: Die numerische Modellierung der Deformation des andinenPlattenrandes unterstützt den geologischen Befund, daß die Westdrift Süd-amerikas, die Sedimentfüllung des Tiefseegrabens sowie Delaminationder Mantellithosphäre die zentralen Steuerfaktoren der Orogenentwick-lung an konvergenten Plattenrändern sind (aus Sobolev and Babeyko,2005).Numerical modelling of deformation of the Andean margin supports geolo-gical findings that upper plate west drift velocities, trench sediment fill, anddelamination of mantle lithosphere are the key mechanisms driving oroge-ny at convergent margins (from Sobbolev and Babeyko, 2005).


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für die Bildung eines nicht-kollisionären Plateaus wirdnach unserer Ansicht erheblich überschätzt bis aufseine Rolle für den Magmatismus (s. o.).

Die ersten vollständigen und intern konsistenten Model-le (Abb. 15) bestätigen die Feldbeobachtungen zum bis-lang gänzlich unterschätzten überragenden Einfluß derKinematik von Oberplatte und Trench-Slab-System ge-genüber der bisher vermuteten Konvergenzrate beiderPlatten. Damit ist der Deformationsmodus von Platten-rändern als komplexes Zusammenspiel von Faktoren iden-tifiziert, unter denen nur eine ganz bestimmte Kombina-tion zu einem Orogen des zentralen Andentyps führt. Inder jüngeren Erdgeschichte sind nur die kretazischenLaramiden des westlichen Nordamerikas ein Kandidat fürein ähnliches Plateau-Orogen.

Ausblick

Ein wesentlicher Langfristauftrag bei Sonderforschungs-bereichen sind profilbildende Maßnahmen an den Trä-gerstandorten. Die Zeitspanne des SFB 267 fiel mit einerwesentlichen Umgestaltung bzw. einem Neuaufbau seinerTrägereinrichtungen zusammen und hat daher bei allen z. T. erhebliche Einwirkungen erzielt. An den BerlinerUniversitäten sind dies insbesondere die langfristigeSicherung der Geowissenschaften mit Zusammenführungund Reorganisation der Institute für Geowissenschaftenund die Entwicklung fachübergreifender, gemeinsamerCurricula. An der Universität Potsdam hat die Beteiligungam SFB den abschließenden Aufbau des Institutes beför-dert, am GFZ Potsdam hat die Entwicklung des Pro-grammtopics „Geodynamik“ im Programm „Geosystem“wesentlich vom SFB 267 profitiert. Diese Entwicklungbeförderte nachdrücklich die regionale, aber auch dienationale Vernetzung der SFB-Trägereinrichtungen in derForschung.

Bereits in der Schlußphase des SFB 267 wurden –wesentlich aus den Erfahrungen des Sonderforschungs-bereich angestoßen – einige der zentralen Folgeaktivitä-ten gestartet. Allen gemeinsam ist eine vernetzte Betei-ligung jeweils mehrerer der Trägerinstitutionen des SFB.Anfang 2004 startete das Vorhaben TIPTEQ, das bisMitte 2007 terminiert ist. Das Vorhaben ist eine Kom-ponente des Teilprogramms „Kontinentränder“ desBMBF/DFG-Programms „Geotechnologien“. Es hat,überlappend mit der letzten SFB-Periode, die Forschungim südlichen SFB-Arbeitsgebiet intensiviert, wird diesefortsetzen und auf die Prozesse der Steuerung von Stark-beben und ihrer Auswirkungen auf die Erdoberfläche imBereich des Starkbebens von Valdivia (1960) fokussie-ren. Es bündelt mit marinen und landgestützten Verfah-ren die Expertise von 10 deutschen Einrichtungen (GFZPotsdam, GEOMAR, Universitäten FU Berlin, Potsdam,Hamburg, Bremen, Freiburg, Kiel, BGR, BayerischeAkademie der Wissenschaften). Gemeinsam mit denUniversitäten Amsterdam und Potsdam hat das GeoFor-schungsZentrum erfolgreich das virtuelle Institut CSAGaus dem Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschafteingeworben. CSAG (Center for System Analyses of

Geoprocesses) startet 2005 für drei Jahre und wird u. a.in Südamerika Fragen der Kopplung von Prozessen beider Steuerung und Entwicklung des Systems Erdober-fläche angehen.

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Prozesse, die die Anden formten – 12 Jahre SFB 267bib.gfz-potsdam.de › pub › 2jb › gfz_04_05_029-046_k.pdfPlateau formation and the contribution of different processes (crustal