Estratigrafía de eventos volcánicos basada en registros sedimentarios postglaciales en la zona del lago Epulafquen, Patagonia

Abstract

El objetivo principal de este trabajo consistió en la reconstrucción de la historia del volcanismo explosivo postglacial en el sector norte de Patagonia, a partir del análisis de tefras preservadas en sedimentos lacustres y expuestas en superficie, aplicando métodos estratigráficos, sedimentológicos, tefrocronológicos y geoquímicos. Se presenta una estratigrafía de eventos volcánicos como marco de referencia para estudios de peligrosidad volcánica asociada a la ZVS; y de aplicación en investigaciones paleoambientales y paleoclimáticas. La zona de estudio se localiza en los alrededores del lago Epulafquen y sur del volcán Lanín, al SO de la provincia de Neuquén, Argentina. Se caracteriza por tener un importante sistema lacustre emplazado en valles profundos generados por los glaciares Pleistocenos. El área se encuentra bajo la influencia de eventos explosivos de varios volcanes de la Zona Volcánica Sur Central (ZVSC) con actividad postglacial reconocida. La dirección de los vientos dominantes del oeste favoreció el depósito de numerosos niveles de tefra en la región, tanto por caída directa como por removilización. Se estudiaron testigos cortos (< 1 m de longitud) de la laguna Huaca Mamuil, del lago Huechulafquen y un testigo largo de la laguna Carirriñe (~ 7 m de longitud). En los testigos se midieron varios parámetros útiles para poder identificar los niveles de tefra y definir distintas unidades sedimentarias. Se analizaron muestras de tefra seleccionadas para determinar la composición geoquímica de elementos mayoritarios, traza y tierras raras (REE) con el fin de caracterizar y correlacionar los registros. La información geoquímica de los componentes juveniles de los numerosos niveles de tefra descriptos junto con la morfología de los vitroclastos obtenida utilizando el microscopio, SEI y BSEI y los datos geoquímicos publicados permitieron la identificación de las distintas fuentes volcánicas. Se elaboraron modelos cronológicos con dataciones radiocarbónicas AMS propias y edades modeladas publicadas de marcadores cronoestratigráficos que fueron identificados en los registros lacustres y en los perfiles de superficie estudiados. La aplicación de herramientas tefrocronológicas junto con las dataciones radiocarbónicas AMS permitieron desarrollar una cronología que dio marco a los registros eruptivos de alta resolución de las lagunas Huaca Mamuil y Carirriñe. Los resultados tefrocronológicos demuestran que la región estuvo expuesta a frecuentes eventos de caída piroclástica originados desde diversos centros eruptivos, tanto regionales como locales. Los tres registros lacustres se correlacionaron a partir de cinco niveles de tefra con características conspicuas (morfología distintiva de vitroclastos, geoquímica, asociación mineral y posición estratigráfica) que fueron identificadas en los testigos y en superficie. Se obtuvieron dos modelos cronológicos Bayesianos. El modelo cronológico de alta resolución desarrollado para la laguna Carirriñe abarca los últimos 12000 años y permitió datar los 70 niveles de tefra identificados. Se registraron dos periodos de una profusa actividad volcánica con eventos de gran magnitud (VEI ≥ 4) comprendidos entre los 12000 y 8000 años Cal AP y a partir de los 1800 años Cal AP hasta la actualidad. Entre estos dos periodos se registraron numerosas erupciones de menor magnitud (VEI < 4). Dieciséis tefras se atribuyeron al volcán Villarrica. La tefra más joven representa los productos de las erupciones de 2015 de los volcanes Villarrica y Calbuco. Cuarenta y cuatro tefras se atribuyeron al Complejo Volcánico Mocho-Choshuenco. Tres tefras se atribuyeron al Grupo Huanquihue; una de ellas corresponde a la erupción histórica del cono piroclástico Achen Ñiyeu. Tres tefras se atribuyeron a erupciones del volcán Quetrupillán. Una tefra se atribuyó al Complejo Volcánico Puyehue-Cordón Caulle y otra se relacionó con la erupción del volcán Chaitén denominada “Chana Tephra” o “Cha1” por Alloway et al. (2017) y Moreno et al. (2014), respectivamente. El modelo cronológico desarrollado para el registro corto de la laguna Huaca Mamuil permitió datar los catorce niveles de tefra, de los cuales 6 corresponden a erupciones del volcán Lanín, cuatro al volcán Villarrica, uno al Complejo Volcánico Mocho-Choshuenco, uno al volcán Antuco y uno a la erupción histórica del cono piroclástico Achen Ñiyeu (Grupo Huanquihue). Una tefra compuesta ubicada en la parte superior del registro corresponde a las erupciones de 2015 de los volcanes Villarrica y Calbuco. Este registro muestra claramente la profusa actividad volcánica explosiva que tuvo lugar en la región durante los últimos 1000 años. A su vez, estos modelos cronológicos permitieron estimar las variaciones de las tasas de sedimentación a lo largo de los últimos 12000 años de la laguna Carirriñe y de los últimos 1000 años de la laguna Huaca Mamuil. Los que, junto con otros parámetros sedimentológicos y mineralógicos, fueron utilizados para comprender la dinámica de estos cuerpos lacustres y sacar conclusiones sobre las condiciones climáticas de la región. En los sedimentos de la laguna Carirriñe se identificaron cuatro unidades litológicas definidas por cambios en las tasas de sedimentación. En la base del registro las tasas son bajas (0,02 cm/año) lo que se atribuyó a la transición entre la última parte de la reversión fría Huelmo-Mascardi (Hajdas et al., 2003) a condiciones climáticas más secas inferidas para Patagonia durante el Holoceno temprano. Para el Holoceno medio las condiciones climáticas se tornaron más húmedas, lo que se vio reflejado en tasas de sedimentación más elevadas (0,058 cm/año). Durante los últimos 5000 años se incrementaron las precipitaciones en el norte de Patagonia como respuesta a un cambio y fortalecimiento de los vientos del oeste hacia el norte y un fortalecimiento de la variabilidad climática vinculada a los eventos ENSO. Esto favoreció que las corrientes de agua superficiales aportaran mayor cantidad de sedimentos a la cuenca. El incremento en la tasa de sedimentación (0,14 cm/año) continuó reflejando la tendencia en el incremento de la humedad efectiva. La posterior disminución de las tasas de sedimentación hacia el techo del testigo se atribuyó a dos pulsos fríos que tuvieron lugar durante el Holoceno tardío conocidos como “Pequeña Edad de Hielo”. Ambos eventos fríos fueron seguidos por condiciones climáticas más cálidas hasta las registradas actualmente.

The aim of this work is the reconstruction of the eruptive history of postglacial explosive volcanism in northern Patagonia, by means of the analysis of tephra layers preserved in lake sediments and surface exposures applying stratigraphic, sedimentological, tephrochronological and geochemical methods. A high resolution volcanic stratigraphy is presented as a framework for volcanic hazards associated with the SVZ as well as for paleoenvironmental and paleoclimatic investigations. The study area is located in the Epulafquen and Curruhué valleys and southern volcán Lanín area, SW of Neuquén province, Argentina. It is characterized by a large and complex lake system emplaced in glacial valleys related to the Pleistocene glaciations. The area has been under the influence of postglacial explosive volcanic activity from volcanoes of the Central Southern Volcanic Zone (CSVZ). Prevailing westerly winds, favoured the deposition of several direct fallout tephra layers and remobilized deposits in the study area. Short cores (< 1 m long) from laguna Huaca Mamuil, lago Huechulafquen, and a long core from laguna Carirriñe (~7 m long) were studied. Several useful parameters were measured in the cores to identify tephra layers and to define different sedimentary units. Selected tephra samples were analysed to determine major elements composition, trace and rare earth elements (REE), which were used for the characterization and the stratigraphic correlation purposes. The geochemical information from juvenile components of the numerous tephra layers described together with the glass morphology obtained using microscope, SEI and BSEI and published geochemical data allowed the identification of the different volcanic sources. Chronological models were elaborated with own AMS radiocarbon dates and published modelled ages of chronostratigraphic markers that were identified in the studied lacustrine records and on nearby exposures. The application of tephrochronological techniques with AMS radiocarbon dates allowed the development of a high resolution eruptive records for laguna Huaca Mamuil and laguna Carirriñe. The tephrochronological results show that the region was exposed to frequent pyroclastic fallout events originated from several local as well as regional eruptive centres. The three lake records were correlated using five tephra layers with conspicuous characteristics (distinctive morphology of glass shards, geochemistry, mineral association and stratigraphic position) that were identified in the cores and on exposures. Two chronological models were obtained. The high-resolution chronological model developed for the laguna Carirriñe long record spans through the last 12000 years and allowed to date the 70 identified tephra layers. There were two periods of profuse volcanic activity with events of great magnitude (VEI ≥ 4) between 12000 and 8000 years Cal BP and from 1800 years Cal BP to present. Between these two periods there were several eruptions of lower magnitude (VEI < 4). Sixteen tephras were attributed to volcán Villarrica. The youngest composite tephra represents the products of the 2015 eruptions of the Villarrica and Calbuco volcanoes. Forty four tephras were attributed to the Mocho-Choshuenco Volcanic Complex. Three tephras were attributed to the Huanquihue Group; one of which corresponds to the historic eruption of Achen Ñiyeu pyroclastic cone. Three tephras were attributed to eruptions of the volcán Quetrupillán, whereas one layer was attributed to the Puyehue-Cordón Caulle Volcanic Complex, and another tephra was related to the volcán Chaitén, named as “Chana Tephra” or “Cha1” by Alloway et al. (2017) and Moreno et al. (2014), respectively. The chronological model developed for laguna Huaca Mamuil short core allowed the dating of fourteen tephra layers that were deposited during the last 1000 years, six of which correspond to Lanín volcano, four to the Villarrica volcano, one to the Mocho-Choshuenco Volcanic Complex, one to the Antuco volcano and one to the historical eruption of Achen Ñiyeu pyroclastic cone (Grupo Huanquihue). The composite tephra at the top of the record corresponds to the 2015 eruptions of Villarrica and Calbuco volcanoes. This record clearly shows the profuse explosive volcanic activity that took place in the region during the last 1000 years. These chronological models also allowed estimating the variations of the sedimentation rates over the last 12000 years for laguna Carirriñe and for the last 1000 years for laguna Huaca Mamuil. Temporal dataset together with other sedimentological and mineralogical parameters were used to understand the dynamics of lakes and draw conclusions about the climatic conditions of the region. Four lithological units defined by changes in sedimentation rates were identified in the sediments of laguna Carirriñe. The rates are low (0.02 cm/year) at the base of the record, which was attributed to the transition between the later part of the Huelmo-Mascardi Cold Reversal (Hajdas et al., 2003) to drier climatic conditions inferred for Patagonia during the early Holocene. For the middle Holocene, the climatic conditions turned more humid, which was reflected in higher sedimentation rates (0.058 cm/year). During the last 5000 years, rainfall in northern Patagonia increased in response to a change and strengthening of westerly winds to north and a strengthening of climate variability related to ENSO events. This favoured the surface water currents to contribute a greater quantity of sediments to the basins. The increase in the sedimentation rates (0.14 cm/year) continued, reflecting a trending related to the increasing of effective humidity. The subsequent decrease in sedimentation rates towards the top of the core was attributed to two cold pulses that occurred during the late Holocene known as "Little Ice Age". Both cold events were followed by warmer weather conditions than currently recorded.