Alluvial fans along the coastal Atacama Desert - landforms, processes, and evolution

• Schwemmfächer entlang der Küste der Atacama-Wüste - Landformen, Prozesse und Entwicklung

Walk, Janek; Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor); Brückner, Helmut (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Schwemmfächer stellen die bedeutendsten sedimentären Systeme innerhalb und an den Grenzen von Gebirgsregionen dar, dort wo eingeengte sedimentreiche Ströme in offene Ebenen oder breitere Täler übergehen. Durch sukzessive Aggradation entsteht eine fächerförmige Ablagerungsform mit einem komplexen internen Aufbau. Aufgrund der direkten Kopplung der Schwemmfächer an das Einzugsgebiet, sind sie im Prinzip einfache Sedimenttransportsysteme und ideale Archive zur Untersuchung der lokalen fluvialen Morphodynamik, aber auch der langfristigen Anpassungen der Landschaft an (paläo-) klimatische Variabilität, tektonische Aktivität und Veränderungen der Erosionsbasis. Allerdings gilt es bis dato als große Herausforderung, die Einflüsse dieser allogenen Umweltfaktoren zu entschlüsseln. Entlang der Küste der hyperariden Atacama-Wüste in Nordchile (20,5°S-25,5°S) breiten sich von der steilen Westflanke der Küstenkordillere Schwemmfächer über die schmale Küstenebene aus. Im distalen Bereich interagieren die Küstenschwemmfächer (CAF) mit dem Pazifik, welches ein zusätzlicher externer Einfluss darstellt. Im Vergleich zur letzten stärkeren fluvialen Aktivität in der inneren Atacama-Wüste im Miozän bis Pliozän, ist die Entstehung der CAF wesentlich jünger. Zudem weisen die CAF eine höhere rezente Aktivität auf. Ihre Paläoaktivität vor dem Holozän wurde bisher allerdings kaum untersucht. Bezüglich eines kleinen Ausschnittes der Küste wurde bereits ein primärer Einfluss des Klimas auf die Schwemmfächergenese postuliert, jedoch ist das Zusammenspiel von Klima, Lithologie und Tektonik in Verbindung mit marin gesteuerten Veränderungen der Erosionsbasis noch nicht ausreichend verstanden. Deshalb werden die CAF der Atacama-Wüste in dieser umfassenden Studie als Archive für rezenten und vergangenen Sedimenttransport unter gekoppelten allogenen Einflüssen untersucht. Zu diesem Zweck wurden die Morphologie sowie Sedimentologie der CAF, die primären aufbauenden Transportprozesse, die Beziehungen zwischen Hydromorphometrie der CAF und Umweltausprägungen (Klima, Tektonik und Lithologie) sowie ihre quartäre Entwicklung untersucht. Während sich die detaillierten Feldstudien auf fünf ausgewählte CAF konzentrierten, umfassten die übergreifenden großräumigen Analysen regionaler klimatischer und geologischer Geodaten sowie die geomorphometrischen Analysen 123 Einzelsysteme. Die Ergebnisse zeigen, dass die CAF in einem fortgeschrittenen geomorphologischen Stadium sind, das sich durch eine relativ hohe Sedimentakkumulation und in etwa der Hälfte aller Fälle auch durch eine tiefere Einschneidung auszeichnet. Eine geomorphologische Detailkartierung und morphometrische Geländeanalyse am CAF Guanillos (21,97°S) ermöglichten es, neben der Einführung eines mehrphasigen morphostratigraphischen Modells, Murgänge als Hauptablagerungsprozess in diesem hyperariden Raum zu identifizieren. Die morphologischen Hinweise werden durch die Stratigraphie von CAF, die an fünf Standorten detailliert beschrieben wird, unterstützt. Zudem wurde festgestellt, dass hyperkonzentrierte Ströme zu einem großen Teil zum Aufbau der CAF beitragen. Im Gegensatz dazu sind Schichtfluten von vernachlässigbarer Bedeutung, welches mit früheren sedimentologischen Erkenntnissen übereinstimmt. Funktionelle Beziehungen zwischen hydromorphometrischen Einzugsgebietseigenschaften, der Häufigkeit extremer Niederschlagsereignisse, der räumlichen Dichte tektonischer Störungen und der Einzugsgebietslithologie deuten auf eine klimatische Steuerung der Schwemmfächermorphodynamik. Überwiegend beschränkt auf Einzugsgebiete, die in der westlichen Flanke der Küstenkordillere liegen, korreliert die Häufigkeit von Niederschlagsextremen positiv mit morphometrischen Parametern, die eine erhöhte Anfälligkeit für Murgänge sowie die geomorphologische Einzugsgebietsreife anzeigen. Räumliche Trends in der Hydromorphometrie und Einzugsgebietsreife spiegeln die wichtigste Quelle für Starkniederschläge wider: an die Westwindzirkulation gebundene Frontensysteme und abgeschnürte Tiefdruckgebiete, deren Einfluss nach Norden hin abnimmt. Des Weiteren lässt sich eine nach Süden zunehmende Dichte der Loma-Vegetation feststellen, sodass dort ein potentiell zusätzlicher Effekt der Vegetation auf die Sedimentzufuhr berücksichtigt werden muss. Die klimatisch gesteuerte Schwemmfächermorphodynamik zeigt sich lediglich in der Morphometrie jener Einzugsgebiete, die eine hohe Sedimentkonnektivität aufweisen und generell nicht bis in das Hinterland der Küstenkordillere reichen. Dieser longitudinale klimatische Übergang spiegelt den sich nach E stark abschwächenden Einfluss des Pazifiks wider und wird durch die steile Orographie der Küstenkordillere bestimmt. Im Gegensatz zum Klima, ist die Einzugsgebietslithologie kein wichtiger allogener Einflussfaktor für den Aufbau der CAF entlang der Küste der Atacama-Wüste. Ein indirekter Einfluss der Tektonik ist dahingegen in der langfristigen (neo)tektonischen Aktivität innerhalb der Küstenkordillere zu sehen, die wiederum die Formung der Einzugsgebiete und der Topographie bedingt. Die Aggradation der CAF - jene im Spätpleistozän datiert im Rahmen dieser Studie - zeigt Hochphasen während des marinen Isotopenstadiums (MIS) 5 (95-80 ka), MIS 3 (60-45 ka), des letzten glazialen Maximums (LGM) (35-20 ka) und des Holozäns (⪅7 ka). Diese Phasen gehen alle mit feuchteren Perioden einher, die mit (i) wärmeren Meeresoberflächentemperaturen (SST) des SE-Pazifiks zusammenhängen und eine Verschiebung der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) im MIS 5 und Teilen des MIS 3 nach Süden bewirkten, (ii) einer Abschwächung der SE-pazifischen Antizyklone und einer nordwärtigen Verschiebung der Westwindzirkulation während des LGM, und (iii) das Einsetzen der modernen "El Niño-Southern Oscillation" (ENSO) im mittleren Holozän, die während El Niño positive SST und damit häufiger auftretende konvektiven Starkregenereignisse bewirkt. Die Kopplung der Paläoaktivität der CAF an Feuchtphasen impliziert, dass die Aggradation in der Atacama-Wüste primär durch das Klima beeinflusst wird und stark transportlimitiert ist. Am CAF Botija (24,57°S) kam es seit dem späten MIS 3 bis zum frühen LGM zur Haupteinschneidung, die entweder, klimatisch bedingt, aufgrund des Drifts der Westwindzirkulation nach N, als Ergebnis eines kurzfristigen Absinkens der Erosionsbasis infolge eines Starkbebens oder lediglich als interne, autogen gesteuerte Schwemmfächerdynamik erklärt werden kann. Hinsichtlich der pleistozänen Entstehung der CAF kann nicht ausgeschlossen werden, dass Reste älter als das MIS 5 unter den jüngeren, datierten Ablagerungen begraben sind. Es sind daher weitere geochronologische Daten entlang der Küste erforderlich, um zu prüfen, ob die geomorphologischen Anpassungen der CAF eine systematische Reaktion auf bestimmte allogene Umweltfaktoren sind. Dennoch stellen die CAF bedeutende Archive für das spätquartäre Paläoklima der hyperariden Atacama-Wüste dar, die die durch den SE-Pazifik gesteuerten Klimaveränderungen in deutlich höherem Maße konservieren als die Schwemmfächer im Inland. Neben der dominierenden klimatischen Steuerung der Genese der CAF, üben tektonische Impulse einen signifikanten kurzfristigen Einfluss aus, indem Starkbeben die Erosionsbasis unabhängig von eustatischen Meeresspiegeländerungen verändern. Vor diesem Hintergrund wurden durchschnittliche spätquartäre Hebungsraten der Küste zwischen ~0,06 und ~0,57 m/ka aus den Datierungen der höher gelegenen, marinen Terrassen abgeleitet.