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Sedimentology, Stratigraphy and Palynology of the Volcaniclastic Tepoztlán Formation (Lower Miocene, Central Mexico): Implications for the Evolution of the Transmexican Volcanic Belt

Lenhardt, Nils :
Sedimentology, Stratigraphy and Palynology of the Volcaniclastic Tepoztlán Formation (Lower Miocene, Central Mexico): Implications for the Evolution of the Transmexican Volcanic Belt.
Institut für Angewandte Geowissenschaften
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Sedimentology, Stratigraphy and Palynology of the Volcaniclastic Tepoztlán Formation (Lower Miocene, Central Mexico): Implications for the Evolution of the Transmexican Volcanic Belt
Language: English
Abstract:

Volcaniclastic depositional series give insights into the interaction of evolving volcanic edifices and their ejecta with co-existing drainage systems. These are often the only remnants of continental magmatic arcs. The Tepoztlán Formation represents a remnant continental arc succession, representing the initial phase of the Transmexican Volcanic Belt (TMVB). The sedimentology of the Tepoztlán Formation records volcaniclastic resedimentation in alluvial and fluvial settings related to erosion and remobilization of huge volumes of ignimbrites and lava following explosive and effusive eruptions during the Lower Miocene. Rapid facies changes and the lack of regional stratigraphic markers indicate that the volcanic rocks of the Tepoztlán Formation erupted from a number of vents, many of which are marked by domes, lava flows and close-to-vent facies. For the first time, a genetic model explaining the evolution of the Tepoztlán Formation is presented. The volcaniclastics accumulated in volcanic flank and apron settings mainly in proximal to medial distances to their source area. Initially, pyroclastic material was mostly reworked by sheet floods and fluvial processes, indicating that volcanic centers were small and possibly more distant to the main depositional area. Increased production of volcanic material and growth of the young TMVB led to a progradation of the volcanic depositional system, characterised by coarsening-upward and increasing occurrence of coarse conglomerates, which temporarily overloaded and buried the fluvial system with debris. Thick pyroclastic flows spread over the area which still had a smooth topography. Continuous build-up of the volcanic centers, however, accentuated the topography, and mass flow deposits became more and more the dominant depositional process with intense mixing and reworking of primary volcanic products. By means of K-Ar and Ar-Ar geochronology, eight magnetostratigraphic sections, and lithological correlations, a chronostratigraphy for the entire Tepoztlán Formation was constructed. Correlation of the resulting 577 m composite magnetostratigraphic section with the Geomagnetic Polarity Time Scale (GPTS) of Cande and Kent (1995) suggests that this section spans from 22.8-18.8 Ma (6Bn.1n-5Er; Aquitanian-Burdigalian, Lower Miocene). This correlation implies a deposition of the Tepoztlán Formation predating the extensive effusive activity in the TMVB at 12 Ma and is therefore interpreted to represent its initial phase with predominantly explosive activity. Additionally, a new subdivision of the Tepoztlán Formation into three units was established according to the dominant mode of deposition: (1) the fluvial dominated Malinalco Member (22.8 – 22.2 Ma), (2) the volcanic dominated San Andrés Member (22.2 – 21.3 Ma) and (3) the mass-flow dominated Tepozteco Member (21.3 – 18.8 Ma). For palynological analyses fine-grained fluvial deposits, the matrix of lahar deposits and deposits from pyroclastic density currents were investigated for the first quantitative palaeoclimate reconstruction of the Early Miocene in Central Mexico. The samples yield a diverse pollen and spore assemblage, enabling a palaeoenvironmental and climatological interpretation of the Tepoztlán Formation. A palynomorphal assemblage of 38 angiosperm, seven gymnosperm and eight pteridophyte/ bryophyte taxa was identified. The taxa group into two palaeocommunities, riparian and deciduous forest, respectively, representing several stages of the recolonization of plants on disturbed ground after initial volcanic eruptions. For climate reconstruction the coexistence approach was applied to the palynomorphs of the Tepoztlán Formation. The mean annual temperature (MAT) was about 14.5°C (present MAT 20°C), and mean annual rainfall around 1200 mm (present 770 mm). The Lower Miocene (Upper Aquitanian – Lower Burdigalian) was a period of cool temperate and humid climate in this area pointing to an already highly elevated plateau with volcanic edifices clearly exceeding 3000 m in altitude. Furthermore, the data show that the seasonality was stronger compared to the modern climate as documented by colder winters and warmer summers which was due to the open Central American Seaway enhancing monsoonal transport of air masses in Mexico during the Lower Miocene.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Vulkanoklastische Ablagerungsserien geben einen Einblick in die Interaktion von in der Entstehung befindlichen Vulkanbauten und ihrer Eruptiva mit koexistierenden Drainagesystemen. Diese Ablagerungsserien sind oft die einzigen Überreste kontinentaler magmatischer Bögen. Die Tepoztlán-Formation stellt den Überrest der Abfolge eines kontinentalen magmatischen Bogens dar und repräsentiert die Initialphase des Transmexikanischen Vulkangürtels (TMVG). Die Sedimente der Tepoztlán-Formation dokumentieren die Resedimentation von Vulkanoklastika in alluvialem und fluviatilem Milieu durch Erosion und Remobilisierung großer Mengen von Ignimbriten und Lava nach explosiven und effusiven Eruptionen während des Unteren Miozäns. Abrupte Faziesänderungen und das Fehlen regionaler stratigraphischer Marker zeigen, dass die vulkanischen Gesteine der Tepoztlán-Formation von einer Reihe vulkanischer Schlote gefördert wurden, die durch Lavadome, Lavaströme und proximale Schlotfazies gekennzeichnet sind. Zum ersten Mal kann nun ein genetisches Modell präsentiert werden, das die Entstehung der Ablagerungen der Tepoztlán-Formation erklärt. Die Vulkanoklastika wurden an Flanken und Talfächern der Vulkane abgelagert, größtenteils in proximaler bis medialer Entfernung vom Ursprungsort. Am Anfang wurde das pyroklastische Material zum größten Teil durch Schichtfluten und fluviatile Prozesse aufgearbeitet; ein Zeichen dafür, dass zu dieser Zeit die vulkanischen Zentren noch relativ klein waren und möglicherweise weiter entfernt vom Hauptablagerungsgebiet. Zunehmende Förderung vulkanischen Materials und Wachstum des jungen TMVG führte jedoch zu einer Progradation des vulkanischen Ablagerungssystems, was durch eine Zunahme an grobem Material, insbesondere Konglomeraten, gekennzeichnet ist, die kurzzeitig das fluviatile System überdecken konnten. Mächtige pyroklastische Ströme verteilten sich über das Gebiet, das immer noch eine relativ sanfte Topographie besaß. Ein fortlaufender Aufbau des vulkanischen Zentrums akzentuierte jedoch die Topographie. In Verbindung mit intensiver Aufarbeitung primärer vulkanischer Produkte wurden Massenverlagerungen mehr und mehr zum dominierenden Ablagerungsprozess. Mit Hilfe von K/Ar- und Ar/Ar-Geochronologie wurden acht magnetostratigraphische Profile, lithologische Korrelationen und eine Chronostratigraphie für die gesamte Tepoztlán-Formation erstellt. Eine Korrelation des resultierenden 577 m umfassenden magnetostratigraphischen Mischprofils mit der Geomagnetischen Polaritätszeitskala (GPZS) von Cande und Kent (1995) impliziert, dass das Profil zwischen 22,8 und 18,8 Ma abgelagert wurde (6Bn.1n-5Er; Aquitanium-Burdigalium, Unteres Miozän). Diese Korrelation legt nahe, dass die Ablagerung der Tepoztlán-Formation noch vor der effusiven Tätigkeit des TMVG vor 12 Ma stattfand und die Tepoztlán-Formation somit als Zeugnis der Initialphase mit hauptsächlich explosiver Aktivität interpretiert werden kann. Zusätzlich wurde eine neue Unterteilung der Tepoztlán-Formation in drei Untereinheiten nach der dominierenden Ablagerungsart unternommen: (1) das fluviatil dominierte Malinalco-Member (22,8 – 22,2 Ma), (2) das vulkanisch dominierte San Andrés-Member (22,2 – 21,3 Ma) und (3) das durch Massenverlagerungen dominierte Tepozteco-Member (21,3 – 18,8 Ma). Für palynologische Untersuchungen wurden feinkörnige fluviatile Ablagerungen, die Matrix von Lahars und die Ablagerungen pyroklastischer Dichteströme für eine erste quantitative Paläoklimarekonstruktion des frühen Miozäns in Zentral-Mexiko untersucht. Die Proben zeigen eine reiche Pollen- und Sporenvergesellschaftung, die es ermöglichte, erstmals eine Paläoumwelt- und Klimarekonstruktion der Tepoztlán-Formation zu erstellen. Die Palynomorphen-Vergesellschaftung besteht aus 38 Angiospermen, sieben Gymnospermen und acht Pteridophyten/Bryophyten. Die Taxa gruppieren sich in zwei Paläopflanzengesellschaften, Auen- und Laubwald, und repräsentieren somit verschiedene Stufen der Wiederbesiedelung von Pflanzen auf durch vulkanische Eruptionen gestörtem Untergrund. Für die Klimarekonstruktion wurde der sogenannte Koexistenz-Ansatz auf Palynomorphe der Tepoztlán-Formation angewandt. Die durchschnittliche Jahrestemperatur (MAT) betrug ca. 14,5°C (heutige MAT 20°C), der mittlere Jahresniederschlag ca. 1200 mm (heute 770 mm). Das Untere Miozän (Unteres Aquitanium – Unteres Burdigalium) war innerhalb des Arbeitsgebietes eine Phase mit kühl-gemäßigtem, feuchtem Klima und weist damit auf ein bereits zu dieser Zeit angehobenes Plateau mit Vulkanbauten von weit über 3000 m Höhe hin. Weiterhin weisen die Daten darauf hin, dass die Saisonalität stärker als heute ausgeprägt war – mit kälteren Wintern und wärmeren Sommern -, hervorgerufen durch den offenen Zentralamerikanischen Seeweg, der den monsunbedingten Transport von Luftmassen in Mexiko während des Unteren Miozän noch verstärkte.German
Uncontrolled Keywords: magnetostratigraphy, K-Ar geochronology, volcaniclastic, Miocene, Tepoztlán Formation, Transmexican Volcanic Belt, lithofacies analysis, facies model, palynology, Coexistence Approach, palaeoclimate reconstruction
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
magnetostratigraphy, K-Ar geochronology, volcaniclastic, Miocene, Tepoztlán Formation, Transmexican Volcanic Belt, lithofacies analysis, facies model, palynology, Coexistence Approach, palaeoclimate reconstructionEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 07 Jul 2009 11:38
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-14054
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hinderer, Prof. Dr. Matthias and Kempe, Prof. Dr. Stephan
Refereed: 12 February 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1405
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