Gravity-based mass balance of an alluvial fan giant: the Arcas Fan, Pampa del Tamarugal, Northern Chile

Abstract

ABSTRACT. Alluvial fans and their catchments provide joint erosion and sedimentation regions, where exogenic mass transfer can be handled as a finite volume problem. The Arcas Fan in the Andean forearc of Northern Chile, one of the world’s largest alluvial fans, has been mapped by a high -resolution gravity survey to calculate sedimentary mass by mean s of interactive 3D modeling. Erosive mass is estimated by a digital 3D volume model of the catchment. The fan volume of 110 km3 (delta V=+/-6 percentage) with a mean sediment density of 1.80 g cm-3 (delta rho = +/-2 percentage) yields a mass of 198x10 9 ton (delta m = +/-8 percentage). The catchment loss of 115 km3 (delta V= +/-6 percentage) of rock with a mean density of 2,36 g cm-3 (delta rho = +/-2 percentage) points to a total erosion of 271 x10 9 ton (delta m = +/-8 percentage), about 73x10 9 ton (delta m = +/-8 percentage) more than calculated in the fan. The mass difference of 27 percentage is related to subsurface dissolution, wind deflation, and surface denudation post-dating deposition. K-Ar ages of ignimbrites topping a peneplain (7.3+/-0.2 Ma), which covered parts of the catchment, an ignimbrite intercalated in the oldest fan sediments (7.2+/-0.2 Ma) and tuff layers near the distal fan surface (6.8+/-0.2 Ma) suggest a short duration (0.5 my) of the exogenic mass transfer. The erosion rate of 0.318 m ka-1 and the sedimentation rate of 0.296 m ka-1 are interpreted as a climatic signal for more humid conditions in Late Miocene times. The erosion rate is nearly equal to the erosion rates of about 0.300 m ka-1 proposed for the Bolivian Andes in the Late Miocene. Area and extent of the mass turnover were too insignificant to cause catchment uplift due to erosion and fan area deflection due to sedimentation. RESUMEN. Balance de masas por medio de la gravimetria de un abanico aluvial gigante: el Abanico de Arcas, Pampa del Tamarugal, norte de Chile. Los abanicos aluviales y su zona de alimentacion, se encuentran en regiones erosionadas y de sedimentacion, donde la masa transferida por procesos exogenos puede ser considerada como un problema de volumen finito. El Abanico de Arcas en el antearco andino del norte de Chile, uno de los abanicos aluviales mas grandes del mundo ha sido mapeado por medio de mediciones gravimetricas de alta resolucion para calcular la masa sedimentaria, por medio del modelamiento interactivo tridimensional (3D). La masa erosionada fue estimada mediante un modelo de volumen tridimensional de la zona de proveniencia. El volumen del Abanico de Arcas de 110 km3 con un promedio de densidad del sedimento de 1.80 g cm-3 tiene una masa de 198x10 9 (delta m = +/-8 porciento) toneladas. La perdida de la zona de proveniencia es de 115 km3 (delta V = +/-6 porciento) de roca con una densidad promedio de 2,36 g cm-3 (delta rho= +/-2 porciento), indicando una erosion total de 271 x1 0 9 toneladas (delta m =+/-8 porciento), alrededor de 73x10 9toneladas (delta m= +/-8 porciento) mas de las que se comprueban en el abanico. La diferencia de masa del 27 porciento esta relacionada con la disolucion en la superficie, deflacion eolica y denudacion de la superficie despues de la deposicion. La edad K-Ar de las ignimbritas es de 7,3+/-0,2 Ma, que cubren parte de la zona de proveniencia, una ignimbrita intercalada en los sedimentos mas antiguos de abanico (7,2+/-0,2 Ma) y de los estratos de tobas cerca de la superficie del abanico (6,8+/-0,2 Ma) hacen pensar en un evento de corta duracion, solo 0,5 Ma para la transferencia de masa exogenica. La tasa de erosion de 0,316 m ka-1 y la tasa de sedimentacion de 0,296 m ka-1 son interpretadas como una senal climatica, indicativa de condiciones de mas humedad en el Mioceno Superior. La tasa de erosion es casi igual a aquella de ca. 0,300 m ka-1, propuesta para los Andes bolivianos en el Mioceno Superior.