Unravelling coupled surface-deep Earth processes in the Southern and Patagonian Andes through numerical modelling constrained by integrated datasets

The Southern and Patagonian Andes constitute an orographic barrier to Pacific westerly winds, thus conditioning the climate and water/ice distribution in southern South America. Andean orogeny occurs since at least the Cretaceous, driven by oceanic subduction beneath the South American continent. Their high elevations in extra tropical latitudes condition the occurrence of fluvio-glacial erosion that control, at least partially, the surface uplift, the rock exhumation, and the localization of deformation and volcanism. The southern Patagonian Andes (south of 46 °S) are characterised by Late Cretaceous to Miocene fold-and-thrust belts and magmatic complexes currently located above an asthenospheric window. Meta-volcano-sedimentary rocks from the Late Jurassic-Early Cretaceous Rocas Verdes Basin (RVB) outcrop in the internal orogenic zone. Metamorphic thermodynamic modelling, zircon U-Pb, and and phengite 40Ar/39Ar geochronology in RVB rocks allow us to determine the onset of the Andean orogeny between ~83 and 70 Ma through their tectonic underthrusting down to ~23 km. This phase was followed by Late Cretaceous foreland subsidence, and Miocene compression, plutonism, and ridge subduction. We also perform inverse modelling of apatite and zircon (U-Th-Sm)/He data from the rocks of the Torres del Paine (TdP, 51 °S) and the Fitz Roy (FzR, 49 °S) massifs. The newly produced data allows us to quantify the partitioning between the tectonic and climate forcing on the regional uplift and rock exhumation. An episode of fast exhumation in the FzR between 10.5 and 8.5 Ma is interpreted as forced by mantle upwelling during ridge subduction at that latitude. A shared episode of fast exhumation at ~6.5 Ma in both massifs records the onset of Patagonian glaciations, followed by a quiescence of exhumation up to 2 Ma. The last acceleration of the exhumation from 2 Ma to present-day is likely linked to a shift in the glacial-interglacial cyclicity. In the Southern Andes Volanic Zone (33-46 °S) a westward migration of the volcanic arc is observed south of 40 °S, where orographic precipitation forces eastward migration of the topographic water divide. We use thermo-mechanical numerical modelling to test the hypothesis of a windward migration of the volcanic arc front forced by enhanced orographic erosion. Results show that asymmetric erosion entails a leeward topography shift and generates an asymmetric windward-verging system of crustal structures that may serve as preferential conduit for the magma upwelling. We therefore suggest that orography drives not only an eastward migration of the topographic water divide, but also a westward migration of the magma ascent and volcanic arc front. The region around the Southern Patagonian Icefield (SPI, 49-51 °S) shows extremely fast geodetically measured rock uplift rates (up to 40 mm/yr), which are currently ascribed to the lithospheric rebound since the post- Little Ice Age (LIA) deglaciation. We perform geodynamic thermo-mechanical modelling to quantitatively assess the role of the asthenospheric window underneath the SPI in affecting the magnitude of observed present-day rock uplift. Our modelling results suggest that mantle potential temperatures higher than the common standard by up to 150-200 °C are required to generate rates of postglacial rebound in the order of tens of mm/yr. Also, our experiments show that not only the post-LIA deglaciation, but also the post- Last Glacial Maximum (~21000 years ago) deglaciation likely contributes to the present day uplift rates.

Le Ande Meridionali e Patagoniche costituiscono una barriera orografica ai venti occidentali del Pacifico, condizionando così il clima e la distribuzione di acqua e ghiaccio nel Sud America meridionale. L'orogenesi andina si verifica almeno dal Cretaceo, guidata dalla subduzione di litosfera oceanica sotto il continente sudamericano. Le loro altezze elevate a latitudini extra-tropicali condizionano l’erosione fluvio-glaciali che condiziona, almeno in parte, il loro sollevamento, l'esumazione delle rocce e la localizzazione di deformazioni e vulcanismo. Le Ande Patagoniche meridionali (a sud di 46°S) sono caratterizzate da cinture di pieghe e sovrascorrimenti dal tardo Cretaceo al Miocene e da complessi magmatici attualmente situati sopra una finestra astenosferica. Nella zona orogenica interna affiorano rocce metavulcaniche sedimentarie del bacino di Rocas Verdes (RVB) del tardo Giurassico-inizio Cretaceo. La modellizazione termodinamica metamorfica, la geocronologia U-Pb su zircone e 40Ar/39Ar su fengiti nelle rocce del RVB ci permettono di determinare l'inizio dell'orogenesi andina tra ca. 83 e 70 Ma attraverso il loro sottoscorrimento tettonico fino a ~23 km. Questa fase è stata seguita dalla subsidenza dell'avampaese nel tardo Cretaceo e da compressione, plutonismo e subduzione della dorsale oceanica nel Miocene. La modellizazione inversa dei dati (U-Th-Sm)/He su apatite e zircone provenienti dalle rocce dei massicci di Torres del Paine (TdP, 51 °S) e del Fitz Roy (FzR, 49 °S) permette di quantificare la suddivisione tra le forzanti tettoniche e climatiche sul sollevamento regionale e sull’esumazione delle rocce. Un episodio di esumazione rapida nel FzR tra ca. 10,5 e 8,5 Ma è interpretato come forzato dalla risalita del mantello durante la subduzione della dorsale a quella latitudine. Un episodio condiviso di esumazione rapida a ca. 6,5 Ma in entrambi i massicci registra l'inizio delle glaciazioni patagoniche, seguito da una quiescenza dell'esumazione fino a ca. 2 Ma. L'ultima accelerazione dell'esumazione da ca. 2 Ma a oggi è probabilmente legata alla ciclicità glaciale-interglaciale. Nella Ande Meridionali (33-46 °S) si osserva una migrazione verso ovest dell'arco vulcanico a sud di 40 °S, dove le precipitazioni orografiche causano la migrazione verso est dello spartiacque topografico. Utilizziamo la modellizazione numerica termo-meccanica per verificare l'ipotesi di una migrazione verso ovest del fronte dell'arco vulcanico, forzata da una maggiore erosione orografica. I risultati mostrano che l'erosione asimmetrica comporta uno spostamento della topografia verso est e genera un sistema asimmetrico di strutture crostali che possono fungere da condotto preferenziale per la rissalita del magma. Suggeriamo quindi che l'orografia non solo guida una migrazione verso est dello spartiacque topografico, ma anche una migrazione verso ovest del fronte di risalita del magma e dell'arco vulcanico. La regione intorno al ghiacciaio della Patagonia Meridionale (SPI, 49-51 °S) mostra tassi di sollevamento della roccia misurati geodeticamente estremamente rapidi (fino a 40 mm/anno), attualmente attribuiti al sollevamento litosferico dalla deglaciazione successiva alla Piccola Era Glaciale (LIA). Eseguiamo una modellizazione geodinamica termomeccanica per valutare quantitativamente il ruolo della finestra astenosferica sotto lo SPI nell'influenzare l'entità del sollevamento osservato oggi. I risultati della modellizazione suggeriscono che sono necessarie temperature potenziali del mantello più alte dello standard comune, fino a 150-200 °C, per generare tassi di sollevamento postglaciale dell'ordine di decine di mm/anno. Inoltre, i nostri esperimenti mostrano che non solo la deglaciazione post-LIA, ma anche quella successiva all'Ultimo Massimo Glaciale (~21000 anni fa) contribuisce probabilmente ai tassi di sollevamento attuali.