Forearc basin evolution in response to a changing subduction system: Neogene to Recent geological record of the northwestern Colombian Andes

Abstract

The growth of accretionary orogens, such as the northern Andes, involves both subduction-related tectonics and the collision of exotic terranes, including oceanic plateaus and island arcs. These contrasting tectonic regimes control the spatiotemporal evolution of deformational patterns and topography, whose signal is preserved in the tectonostratigraphic record of marginal basins, which is particularly true for forearc systems. This work presents a detailed geochronological and compositional characterization of Cretaceous magmatic rocks and Neogene strata of the northern Colombian forearc basin (Atrato Basin), which record the long-term evolution of the northwesternmost Andean region, since the early interactions with the Caribbean plate to the most recent shallow subduction of the Nazca plate. New petrochronological data from the Cupica and Tribugá gulfs allowed the recognition of a previously undocumented Upper-Cretaceous arc-related magmatic unit, which likely represents the earliest activity of the intra-oceanic Central American arc and the coeval island arc nowadays exposed along the north-Andean Western Cordillera. The collision of the latter and its plateau-like basement caused a major topographic uplift of the Colombian Central Cordillera during the Late Cretaceous-Paleocene, as suggested by new paleoelevation estimations presented in this work. Such collisional episode marked the early constitution of the northwestern Colombian forearc, whose evolution was subsequently controlled by the Neogene transition from the collision of the Central American arc and the subduction of the Nazca plate. A comprehensive tectonostratigraphic analysis of the Neogene infill of the Atrato Basin allowed identifying three main tectonic phases, which drove changes in the configuration of source areas and the depositional settings. First, the collision of the Central American arc against northwestern South America was recorded by the accumulation in a tectonically active back-arc basin of Oligocene-middle Miocene deep-marine strata sourced by both colliding domains. The advance of the collision triggered basin inversion and shallowing of accumulation depths during the middle Miocene, as well as accelerated erosional exhumation of the continental paleomargin and increased siliciclastic input to suture-related and the colliding back-arc basin. Second, the transition from collision to the subduction of the Nazca plate during the middle-late Miocene caused the formation of a post-collisional arc in northwestern Colombia, as well as the initial topographic uplift of the newly established forearc basin (former allochthonous back-arc) nearby the suture zone. This was accompanied by a major shallowing of accumulation depths and a dramatic change in the detrital signal of forearc deposits, which were isolated from continental source areas (i.e. Western Cordillera) by newly uplifted ranges. Finally, the late Miocene flattening of the subducting Nazca slab beneath northern Colombia caused widespread deformation that drove the uplift of the outer forearc high, represented by the coastal Baudó Range, and the establishment of the modern physiographic configuration. This episode led to the fragmentation of the forearc basin into an outer (coastal) and inner (inland) segments and strong reworking of older strata, as suggested by the provenance of late Miocene to Pliocene rocks accumulated in high-energy fluvial environments. The pulsated nature of Miocene mountain building along the northwesternmost Andean forearc, as a consequence of interspersed collisional and subduction-related tectonics, seemingly played a major role in the biogeographic evolution of the region and the constitution of the modern extremely humid tropical rainforest that hosts a biodiversity hotspot. This work allowed proving how valuable the tectonostratigraphic record of forearc basins and the surrounding mountain ranges is to disentangle the effects of a changing subduction system on the upper-plate landscape evolution, which, as demonstrated in this work, could be successfully studied through a combination of petrochronological, stratigraphic and structural analyses

El crecimiento de orógenos acrecionarios como los Andes del norte, involucra procesos tectónicos relacionados con subducción, así como la colisión de terrenos exóticos, incluyendo plateaux oceánicos y arcos de islas. Estos regímenes tectónicos contrastantes controlan la evolución espaciotemporal de los patrones de deformación y la topografía, cuya señal es preservada en el registro tectonoestratigráfico de las cuencas marginales, lo cual es particularmente cierto para sistemas de antearco. Este trabajo presenta una caracterización geocronológica y composicional detallada de las rocas magmáticas Cretácicas y sedimentos Neógenos del antearco norte de Colombia (Cuenca Atrato), las cuales registran la evolución de largo plazo de la región más noroccidental de los Andes, desde las interacciones tempranas con la placa Caribe hasta la más reciente subducción plana de la placa de Nazca. Nuevos datos petrocronológicos de sedimentos modernos de los golfos de Cupica y Tribugá permitieron reconocer una unidad magmática del Cretácico Tardío afín con un arco de islas que no había sido previamente documentada, la cual podría representar la actividad más temprana del arco Centro Americano y el arco de islas ahora expuesto a lo largo de la Cordillera Occidental de los Andes del norte. La colisión de este último, en conjunto con su basamento de tipo plateau, durante el Cretácico Tardío-Paleoceno, causó un importante levantamiento topográfico de la Cordillera Central Colombiana, como lo sugieren nuevas estimaciones de paleoelevación presentadas en este trabajo. Este episodio colisional marcó la conformación temprana del antearco noroccidental Colombiano, cuya evolución fue subsecuentemente controlada por la transición Neógena de colisión del arco Centro Americano y la subducción de la placa de Nazca. Un análisis tectonoestratigráfico integral del relleno Neógeno de la Cuenca Atrato permitió identificar tres fases tectónicas principales, las cuales detonaron cambios en la configuración de las áreas fuente y de los ambientes deposicionales. Primero, la colisión del arco Centro Americano con el noroccidente de Suramérica fue registrado por la acumulación, en una cuenca tras-arco tectónicamente activa, de rocas marinas profundas del Oligoceno-Mioceno medio con procedencia de ambos dominios en colisión. El avance del evento colisional detonó la inversión de la cuenca y la somerización de las profundidades de acumulación durante el Mioceno Medio, así como la exhumación por erosión acelerada de la paleomargen continental y el incremento del flujo siliciclástico hacia la cuenca de sutura y la cuenca de tras-arco en colisión. Segundo, la transición de colisión a subducción de la placa de Nazca durante el Mioceno medio-tardío causó la formación de un arco poscolisional en el noroccidente de Colombia, y también el levantamiento topográfico inicial de la recientemente establecida cuenca de antearco (antes tras-arco alóctono) en cercanías a la zona de sutura. Esto fue acompañado por una somerización importante de los ambientes de acumulación y un cambio dramático en la señal detrítica de los depósitos de antearco, los cuales fueron aislados de fuentes continentales (i.e. Cordillera Occidental) por montañas recientemente levantadas. Finalmente, el aplanamiento de la losa subducente de la placa de Nazca por debajo del norte de Colombia causó deformación ampliamente distribuida y condujo al levantamiento del alto externo del antearco, representado por la Serranía de Baudó, y al establecimiento de las condiciones fisiográficas modernas. Este episodio llevó a la fragmentación de la cuenca de antearco en un segmento externo (costero) y uno interno (continental), así como al fuerte retrabajamiento de rocas más antiguas, como lo sugiere la procedencia de rocas del Mioceno tardío al Plioceno acumuladas en ambientes fluviales de alta energía. La naturaleza episódica de la construcción de montañas durante el Mioceno a lo largo del antearco más noroccidental de los Andes, como consecuencia de tectónica colisional y de subducción, jugó, aparentemente, un papel importante en la evolución biogeográfica de la región y en la constitución del bosque tropical extremadamente húmedo de la actualidad, el cual hospeda un punto caliente de biodiversidad. Este trabajo permitió probar lo valioso que es el registro tectonoestratigráfico de las cuencas de antearco y las cadenas de montaña adyacentes para revelar los efectos de un sistema de subducción cambiante en la evolución del paisaje de la placa superior. Esto, como pudo demostrarse en este trabajo, puede ser exitosamente estudiado a través de la integración de análisis petrocronológicos, estratigráficos y estructurales. (Texto tomado de la fuente)