Exhumation of the northern Sub-Andean Zone of Ecuador and its source regions: a combined thermochronological and heavy mineral approach

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1 Diss. ETH No Exhumation of the northern Sub-Andean Zone of Ecuador and its source regions: a combined thermochronological and heavy mineral approach A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH For the degree of Doctor of Natural Sciences Presented by Geoffrey Modeste Henri, Ruiz D.E.A Tectonics, Universite de Montpellier Born May 8, 1973 French Accepted on the recommendation of PD Dr. W. Winkler Dr. D. Seward Prof. J-P. Burg Dr. E. Jaillard Universite Grenoble-IRD examiner 2002

2 Abstract The Ecuadorian Andean Amazon Basin (AAB) developed along the eastern Andean margin as a response to the (1) interaction of the subducting Farallon/Nazca plates and the South American Craton, and (2) accretionary events since Early Cretaceous. The Aptian to Recent sediments contain clastic material which was eroded from the craton and its Paleozoic cover to the east as weil as the rising Andean Cordilleras in the west. Previous work established a quantitative thermal history record of exhumation in the bounding orogen to the west although the depths of rock exhumed limit the temporal extent of this record. Often information cannot be continuously traced within the orogens because it has been removed by erosion or overprinted. Hence the details of source region tectonics can be recognized in sedimentary sequences using geochronology. An advanced thermochronological methodology based on pattern of changes in lagtime upwards in the stratigraphie column, combined with heavy mineral analysis, allowed events in the source regions of the AAB to be distinguished through dating of the eroded material present in the northern SAZ and Pastaza depression where uplift has exposed both the Jurassie basement and its Aptian to Recent sedimentary cover. In a preliminary study, the thermal history of the northern SAZ was constrained using fission-track analysis on both zircon and apatite from 25 sampies from the basement of the region. The results reveal that the basement of the sediments, dominantly Jurassie igneous sequences, has never undergone temperatures higher than 100 C since emplacement. Consequently, the region was never heated to temperatures that would have modified zircon detrital fission-track ages in the overlying sedimentary sequences (zircon has a closure temperature of -270 ± 40 C). Hence, the dated zircon fission-track ages from the Aptian to Recent siliciclastic sediments are true detrital ages and express the varied thermal histories of the source regions. 70 detrital zircon fission-track age populations were statistically extracted from 1082 zircon grains, and show a significant variation from 579 ± 65 Ma to 22.9 ± 1.2 Ma. The abundance of DZFT populations with Proterozoic to Early Cretaceous ages in the Aptian-Albian Hollin Fm. suggests that several distinct source regions, which may have been significantly geographically dispersed, contributed to the early infilling of the AAB. The old populations ( Ma) indicate a probable sourcing in the Guyana-Brazilian Shield regions to the east. Early Cretaceous detrital zircon fissiontrack populations suggest a Late Jurassic-Early Cretaceous phase of exhumation along the Ecuadorian margin (Peltetec event?), which may be responsible for the 60 My hiatus observed in some locations between the Jurassie Misahualli volcanic are and the overlying Aptian-Albian sediments (Hollin Fm.). A rapid exhumation within the source region greater than 2mm/yr during the Coniacian/Santonian to Paleocene was recognised. This is most Iikely from within the Cordillera and may have been due to the accretion of an oceanic plateau, referred to as the Pallatanga Terrane, against the Ecuadorian margin. This is also manifested by the first appearance of metamorphie detritus into the Maastrichtian Tena Fm.

3 During the Eocene, distinct provenance changes were coeval with the deposition of proximal sedimentary facies in the MB (Tiyuyacu Fm.), suggesting that the contemporaneous tectonic development along the Ecuadorian margin was more protracted. Rapid exhumation in the hinterland of the MB was restricted to the Middle to Late Eocene, when lower crustal levels were eroded into the MB. This phase probably ended with the final docking of the Macuchi oceanic island arc against the Ecuadorian margin where it currently constitutes part of the Cordillera Occidental. A clear change of provenance, characterized by the introduction of a pyroxeneolivine dominated heavy mineral assemblage, is observed between the Late Miocene Chambira Fm. and the Pliocene-Pleistocene Mesa and Mera Fms. Rocks with an oceanic affinity, such as the basement of the Cordillera Occidental and parts of the Interandean region, must have been eroded into the MB since the Pliocene suggesting that western, allochthonous Ecuador was eroding at this time. Collectively, the combination of these techniques permit (1) an assessment of the thermal and tectonic history of the northern Sub-Andean Zone and Pastaza depression, (2) the identification of the source regions of the preserved western and proximal deposits of the MB, and (3) a refinement of the exhumation histories of individual source regions. Knowledge gained from this study contributes to the understanding of the Jurassie - Recent active continental margin of Ecuador. Furthermore, the northern Sub-Andean Zone formsa relic part of the f1at Iying Andean Amazon Basin, which is a major, hydrocarbon contributor and an increased understanding of its evolution may enhance the productivity and economic prosperity ofthe area.

4 Zusammenfassung Das andine Amazonas-Becken (AAB) von Ecuador entwickelte sich entlang des östlichen Randes der Anden als Reaktion auf die (1) Wechselwirkung der Subduktion der Farallon/Nazca Platten unter den südamerikanischen Kraton, und (2) die wiederholte Akkretion von pazifischen Terranen am westlichen südamerikanischen Kontinental-Rand seit der Kreidezeit. Die unterkretazischen bis rezenten Sedimente enthalten klastisches Material, welches einerseits vom Osten vom Kraton und dessen paläozoischer Bedeckung, und andererseits vom Westen von den sich hebenden Anden-Kordilleren erodiert wurde. Bisherige Arbeiten haben eine quantitative thermische Geschichte der Exhumierung des Andenorogens im Westen geliefert, wobei die Tiefe der exhumierten Gesteine den zeitlichen Umfang dieses Datensatzes limitieren. Oft können diese Informationen nicht kontinuierlich in frühe geologische Zeit zurück verfolgt werden, da die Gesteine, welche die ältere Geschichte zeigen könnten, erodiert wurden. Daher können die Details der Tektonik in den Liefergebieten mittels geochronologischer Untersuchungen an detritischen Körnern in den Sedimenten des AAB besser identifiziert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde eine erweiterte thermochronologische Methodik, basierend auf dem Prinzip der zeitlichen Verzögerung zwischen dem Alter der Exhumierung der detritischen Körner (im folgenden DZFT genannt; detrital zircon fission track age) und den Sedimentationsaltern angewendet. Zum besseren Verständnis der tektonischen Vorgänge in den Liefergebieten in der stratigraphischen Abfolge wurden auch die Schwermineralgehalte in den analysierten Sedimenten beigezogen. Wir haben in der vorliegenden Arbeit Material von der nördlichen SAZ und der Pastaza-Depression analysiert, wo das jurassische Grundgebirge und seine sedimentäre Bedeckung (Aptian bis Rezent) durch Hebung freigelegt worden sind. In einer einleitenden Studie wurde die thermische Geschichte der nördlichen SAZ anhand von Spaltspur-Analysen an Zirkonen und Apatiten von 25 Proben aus dem Grundgebirge der Region abgeleitet. Die Resultate zeigen dass die jurassischen Vulkanite und Plutonite (Misahualli Fm. und Abitagua-Granit) unter den Sedimenten nie höhere Temperaturen als 100 C seit der magmatischen Abkühlung erfahren haben. Folglich wurden die Sedimente nicht auf Temperaturen geheizt, welche die Spaltspuren in den detritischen Zirkonen in den überliegenden Sediment-Sequenzen hätten modifizieren können (Zirkon hat eine Schliesstemperatur von 270 ± 40 C). Daher liefern die datierten Zirkone wahre Exhumierungs-Alter, welche die verschiedenartigen thermischen Entwichlungen in den Liefergebieten dokumentieren. 70 Populationen von Spaltspur-Altern detritischer Zirkone wurden statistisch aus 1082 Zirkon Körnern ausgewählt, und zeigen eine signifikante Streuung von 579 ± 65 Ma bis 22.9 ± 1.2 Ma. Das Vorhandensein von DZFT-Populationen mit proterozoischen bis unterkretazischen Altern in der Hollin Fm. (Aptian-Albian) deuten an, dass mehrere unterschiedliche Liefergebiete, welche geographisch deutlich voneinander getrennt sein mussten, zur frühen Füllung des AAB beigetragen haben. Die alten Populationen ( Ma) weisen auf eine mögliche Lieferung aus der Schild-Region von Guyana

5 und Brasilien im Osten hin. Spaltspur-Populationen detritische Zirkone aus der frühen Kreide legen eine oberkretazische Exhumierungsphase entlang dem ecuadorianischen Kontinentalrand im Westen nahe, die mit dem Peltetec-Ereignis korreliert werden kann. Dieses tektonische Ereignis ist für die bis 60 Millionen Jahre ausmachende Schichtlücke zwischen dem jurassischen (Misahualli-) Vulkanbogen und der überliegenden Hollin Fm. verantwortlich. Von Coniacian/Santonian bis Paleozän (Mittlere Napo. Fm. bis Tena Fm.) wurde eine schnelle Exhumierung (grösser als 2mm/yr) in den Liefergebieten festgestellt. Ab dem Maastrichtian wird auch ein signifikanter Eintrag von metamorphen Mineralen registriert. Die Hebung und die anschliessende Exhumierung von metamorphen Serien der frühen Cordillera Real im Westen wurde höchst wahrscheinlich durch die Akktretion eines ozeanischen Plateaus (Pallatanga Terran) am ecuadorianischen Kontinental Rand verursacht. Das Eozän war durch deutliche Herkunftsänderungen in den Ablagerung der proximalen Sedimentfazies der Tiyuyacu Fm. gekennzeichnet, was darauf hinweist, dass der ecuadorianische Kontinental-Rand einer weiteren signifikanten tektonischen Überprägung unterzogen wurde. Schnelle Exhumierung im Hinterland des AAB war beschränkt auf das mittlere bis späte Eozän, als auch vermehrt hochgradig metamorphe Krustenteile in der Cordillera Real erodiert wurden. Diese Periode korreliert vermutlich mit dem endgültigen Andocken eines ozeanischen Inselbogens (Macuchi Terran) an den ecuadorianischen Kontinental-Rand. Ein deutlicher Herkunftswechel wird durch den Eintragung von Pyroxen/Olivinführenden Schwermineralparagenesen zwischen der obermiozänen Chambira Fm. und der plio-pleistozänen Mesa und Mera Fm. festgestellt. Gesteine mit ozeanischer Herkunft, wie sie im Grundgebirge der Cordillera Occidental und Teilen der Interandinen Region anstehen, müssen seit dem Pliozän detritisches Material in das AAB geliefert haben. Diese Periode korreliert mit der seit ca My in verschiedenen Teilen der ecuadorianischen Anden festgestellten Hebung. Insgesamt ermöglichte die Kombination der Techniken (1) eine Abschätzung der thermischen und tektonischen Geschichte der nördlichen Sub-Andinen Zone und der Pastazza-Depression, (2) die Identifikation der Herkunftgebiete des detritischen Materials in den Ablagerungen des AAB, und (3) eine Verfeinerung der Exhumierungsgeschichte der Liefergebiete, wie sie durch grosstektonische Vorgänge im ecuadorianischen Subduktionsgürtel geleitet wurde. Die aus dieser Studie gewonnenen Kenntnisse leisten einen Beitrag zum Verständnis der jurassisch bis rezent Entwicklung der ecuadorianischen Anden. Darüber hinaus liefert sie ein verbessertes Verständnis der Entwicklung der Erdöl-produzierenden Sub-Andinen Zone und des Oriente-Beckens für die Exloration des Rohstoffes, der den Wohlstand des Landes erhöhen könnte.