Geochronology of Miocene plutons and exhumation history of the El Teniente region, Central Chile (34-35°8)

Abstract

ABSTRACT. 40Ar/39Ar mineral dating and whole rock chemical analyses of Miocene to Pliocene Andean granitoids near the El Teniente copper deposit (34°S) provide new evidence for rapid Neogene exhumation. This exhumation is attributed to crustal thickening that culminated in the Late Miocene-Early Pliocene coincident with the emplacement of the ore deposit. Three groups of Neogene plutons in the forearc of the active Southern Volcanic Zone (SVZ) are considered. The oldest and westernmost is represented by the La Obra pluton (19.6+/-0.5 Ma, biotite) which has chemical affinities with the host Late Oligocene-Early Miocene Coya-Machali Formation volcanic rocks. Slow cooling of this pluton is required by a 3.4 my difference between biotite and K-feldspar 40Ar/39Ar ages. Modeling shows that this cooling is consistent with an exhumation rate of aprox.0.55 mm/yr between 19.6 Ma and 16.2 Ma. The second group, termed the El Teniente Plutonic Complex, consists of plutons with biotite ages clustering at aprox.11 to 12 Ma and -8 to 9 Ma. These plutons have chemical affinities with the Middle to Late Miocene Teniente Complex (Farellones Formation) volcanic rocks whose chemical characteristics suggest that they erupted through a thicker crust than the Coya-Machali units. A 0.7 my difference between biotite (8.4+/-0.3 Ma) and K-feldspar ages in the Nacimiento Rio Cortaderal pluton requires an exhumation rate of aprox.3 mm/ yr between 8.4 and 7.7 Ma. Although modelled exhumation rates depend on estimates of mineral closure temperatures, paleo-geothermal gradients, and errors in age determinations, a higher exhumation rate for the Nacimiento Rio Cortaderal pluton than the La Obra pluton is a robust result of modelling. A third group of plutons (Young Plutonic Complex) farther east is characterized by biotite ages of 6.6 to 5.6 Ma. Their steeper rare earth element patterns and more Enriched isotopic signatures are consistent with emplacement in a crust even more thickened by Late Miocene compressional deformation. An elevated paleo-geothermal gradient, consistent with the Miocene magmatic-arc environment, best explains the cooling histories of these plutons. Their mineral ages are interpreted as being controlled by exhumation associated with Grustal thickening due to compressional deformation related to crustal shortening. The data are consistent with a moderate regional deformation associated with eastward shift of the magmatic front between 20 to 16 Ma, and a stronger regional deformation associated with frontal are migration between 8 and 5 Ma. RESUMEN. Geocronologia de los plutones miocenos e historia del alzamiento andino en la region de El Teniente, Chile central (34-35°S). Dataciones 40Ar/39Ar en minerales y roca total de granitoides del Mioceno al Pleistoceno en las cercanias del yacimiento El Teniente, ubicado en el ante arco del extremo norte de la zona volcanica activa de los Andes del Sur, proporcionan nuevas evidencias para la edad del alzamiento regional en esa zona de los Andes. Este fenomeno culmino en el Mioceno tardio-Plioceno temprano, durante el emplazamiento del porfido cuprifero. Tres grupos de plutones del Neogeno se han identificado en esta zona. El mas antiguo, y mas occidental, esta representado por el Pluton La Obra (19,6+/-0,5 Ma: biotita). Este tiene afinidades quimicas con las rocas volcanicas huespedes de la Formacion Coya-Machali que hicieron erupcion a traves de una corteza continental delgada. La diferencia de 3,4 Ma existente entre las edades 40Ar/39Ar de biotita y feldespato potasico indica un enfriamiento lento del pluton, que es consistente con un alzamiento regional a tasas bajas, del orden de 0,3-0,55 mm/ano. El segundo conjunto (Complejo Plutonico El Teniente), ubicado mas al este, esta formado por una familia de plutones con edades 40Ar/39Ar en biotitas agrupadas entre los 11-12 Ma y 8-9 Ma. Estos plutones tienen afinidades quimicas con las rocas del complejo volcanico Mioceno de El Teniente (Formacion Farellones), cuyas caracteristicas indican erupcion a traves de una corteza mas gruesa. La diferencia de 0,7 Ma entre las edades en biotita (8,3+/-0,3 Ma) y feldespato potasico detectadas en el Pluton Nacimiento del Rio Cortaderal senala un proceso de enfriamiento mas rapido que para el pluton La Obra el cual es, a su vez, consistente con una tasa de alzamiento regional (1,5-2,0 mm/ano) mayor que la determinada a partir del Pluton La Obra. Un flujo calorico elevado, propio del ambiente de arco magmatico dominante durante el Mioceno, se ajusta a la historia de enfriamiento de los plutones. En esas condiciones, la biotita se puede mantener por sobre su temperatura de cierre (300°C) hasta ser alzada a mas de 3,5 km de profundidad. Un tercer grupo de plutones (Complejo Plutonico Joven), ubicado al este del anterior, se caracteriza por edades 40Ar/39Ar en biotita de 6,6 a 5,6 Ma. Sus patrones empinados de Tierras Raras y una firma isotopica mas enriquecida, son consistentes con su emplazamiento en una corteza engrosada tectonicamente por la deformacion del Mioceno tardio. Estas observaciones, junto a otras, obtenidas tanto al sur como al norte de El Teniente, parecen indicar que este segmento de la cordillera sufrio un alzamiento regional a tasas bajas entre los 26 a 16 Ma y un alzamiento a tasas extremadamente elevadas, asociadas a deformacion regional y migracion del arco entre los 8 y 5 Ma.