Cenozoic evolution of the Yakutat-North American collision zone, southeast Alaska

Abstract

A better understanding of orogenic syntaxes is necessary in order to improve our knowledge of continental deformation, which impacts human life immensely. Orogenic syntaxes are kinematic transition zones and potentially concentrate large amounts of stress and strain, which can lead to frequent and high-magnitude earthquakes and mass wasting processes. The St. Elias syntaxis in the St. Elias Mountains of southeast Alaska and adjacent western Canada recently gained attention for its high exhumation and erosion rates, and by comparison to the “tectonic aneurysm” model that was developed for the eastern and western Himalayan syntaxes. The St. Elias syntaxis is the area where transform motion along the Fairweather Fault segment of the Yakutat-North American plate boundary transitions into flat-slab subduction of the thick, oceanic Yakutat crust. Detailed studies of exhumation processes at the St. Elias syntaxis are hampered by its extensive glaciation. The approach in this study therefore comprises the use of detrital material from large and small glacio-fluvial catchments and the application of multiple thermo- and geochronometric dating techniques in order to reveal the long-term exhumation history of the syntaxial region and its relation to other parts of the orogen. Cooling age populations were extracted from sand-sized samples and complete cooling histories (500–65 °C) and provenance information (U-Pb dates, lithology) were ob-tained from glacially transported cobbles and interpreted in combination with previ-ously published and new bedrock thermo- and geochronologic ages. A total of 4905 new single-grain zircon fission-track (ZFT) ages (~430–0.2 Ma) of modern, sand-sized detrital samples from 47 different catchments covering an area of almost 45,000 km2, 1350 new single-grain apatite fission-track (AFT) ages (~433–1 Ma) of modern, sand-sized detrital samples from 15 of the 47 catchments, five ZFT bedrock ages (~154–9.4 Ma), three bedrock biotite 40Ar/39Ar ages (~42–5 Ma), as well as data of 27 cobble-sized detrital samples with 21 zircon U-Pb ages (~277–31 Ma), eight amphibole 40Ar/39Ar ages (~276–16 Ma), seven biotite 40Ar/39Ar ages (~50–42 Ma), four zircon (U-Th)/He ages (~35–4.8 Ma), four AFT ages (~17–1.6 Ma), and six apatite (U-Th)/He ages (~4.2–0.6 Ma) are presented. Two large-scale terrane subduction and accretion phases influenced the upper crustal cooling of the study area; the Jurassic–Cretaceous accretion of the Wrangellia Composite Terrane to the former North American margin and the ongoing flat-slab subduction and collision of the Yakutat microplate. The Fairweather plate boundary segment has been transpressional in nature since at least 30 Ma and collision of the Yakutat microplate with the North American Plate began ~15–12 Ma. Rapid exhumation in the St. Elias syntaxis area began ~10 Ma and was confined by an unmapped, ice covered, discrete structure northeast of the northern Fairweather Fault and possibly the Fairweather Fault itself, most likely forming a one-sided, positive flower structure. The locus of rapid exhumation shifted southwest into the central syntaxis area at ~5 Ma and exhumation rate and depth were increased, causing ~10 km of exhumation ~5–2 Ma. This occurred probably due to a combination of i) an increase in the compressional component of Yakutat-North American convergence, ii) the subduction of increasingly thicker oceanic crust of the wedge-shaped Yakutat microplate, and iii) a change in erosional patterns and rates due to 6–5 Ma onset of glaciation. Pliocene exhumation might have been accommodated by a two-sided, positive flower structure centered at the northern Fairweather Fault, but with deep exhumation focused on the North American Plate. After ~2 Ma, the focus of most rapid exhumation migrated farther south to the lower plate of the syntaxial region (Yakutat microplate). Overall, the results indicate that syntaxial regions should be treated as 4D-problems with spatio-temporally heterogeneously distributed deformation and exhumation. If process rates are high, as in the case of the St. Elias and Himalayan syntaxes, then, the dynamics of these regions are likely to respond very quickly (0.5–1.0 Myr) to changes in tectonic, rheologic, and climatic settings.

Kontinentale Deformation beeinflusst die Gestalt der Erdoberfläche und hat dadurch einen großen Einfluss auf das Leben auf der Erde. Die Untersuchung von Gebirgssyntaxen, den Bereichen starker Krümmung in sonst geradlinig verlaufenden Gebirgszügen, ist ein wichtiger Schritt zu einem besseren Verständnis von Deformationsprozessen. Einige Syntaxen sind durch extreme Verformung gekennzeichnet, was zu starken Erdbeben und anderen Massenbewegungen, wie Hangrutschungen, führen kann. Die St. Elias Syntaxis im gleichnamigen Gebirge in Südostalaska und angrenzenden Gebieten Westkanadas weist sehr hohe Erosions- und Gesteinsexhumierungsraten auf. Vergleichbar hohe Werte sind aus der östlichen und westlichen Syntaxis des Himalayas bekannt und wurden dort unter anderem mit dem Modell des „tectonic aneurysm“ erklärt. Die St. Elias Syntaxis stellt einen kinematischen Übergangsbereich zwischen zwei Segmenten der Plattengrenze zwischen der Yakutat Mikroplatte und der Nordamerikanischen Platte dar. Dextrale Seitenverschiebung entlang der Fairweather-Störung geht innerhalb der St. Elias Syntaxis in flache Subduktion der ozeanischen Yakutat-Kruste über. Das gesamte St. Elias Gebirge ist vergletschert, was eine detaillierte Untersuchung von Exhumierungsprozessen erheblich erschwert. Diese Studie zeigt, dass dieses Problem durch Untersuchung von Detritus, der aktiven, fluvioglazialen Systemen entnommen wurde und daher hauptsächlich von Gletschern erodiertem Material entspricht, umgangen werden kann. Mithilfe verschiedener thermo- und geochronologischer Datierungsmethoden kann die Exhumierungsgeschichte der Syntaxis über einen Temperaturbereich von 500–65 °C sowie die Provenanz (U-Pb Datierung, Lithologie) von Sand- und Geröllproben rekonstruiert und zusammen mit publizierten thermochronologischen Daten von Sandproben und Festgesteinen interpretiert werden. Insgesamt werden in dieser Studie 4905 neue Zirkonspaltspur-Einzelkornalter (~430–0,2 Ma) von 47 Sandproben, die 47 verschiedenen Gletschereinzugsgebieten mit einer Gesamtfläche von fast 45000 km2 entsprechen, und 1350 neue Apaptitspaltspur-Einzelkornalter (~433–1 Ma) von Sandproben aus 15 der 47 Einzugsgebiete präsentiert. Des Weiteren wurden 27 Geröllproben anhand von 21 Zirkon U-Pb Analysen (~277–31 Ma), acht Amphibol 40Ar/39Ar Analysen (~276–16 Ma), sieben Biotit 40Ar/39Ar Analysen (~50–42 Ma), vier Zirkon (U-Th)/He Analysen (~35–4,8 Ma), vier Apatitspaltspur-Analysen (~17–1.6 Ma), sowie sechs Apatit (U-Th)/He Analysen (~4.2–0,6 Ma) datiert. An neun Festgesteinsproben wurden fünf Zirkonspaltspurdatierungen (~154–9,4 Ma) und vier Biotit 40Ar/39Ar Datierungen (~42–5 Ma) vorgenommen. Die Daten zeigen zwei Phasen von Subduktion und Akkretion von Terranen, die für das Abkühlen der oberen Kruste im Arbeitsgebiet verantwortlich waren; die jurassisch–kretazische Akkretion des Wrangellia Composite Terrane an den damaligen Rand der Nordamerikanischen Platte sowie die noch andauernde Subduktion und Kollision der Yakutat Mikroplatte. Das Fairweather-Segment der Plattengrenze ist seit etwa 30 Mio. Jahren von Transpression gekennzeichnet; die Kollision der Yakutat Mikroplatte mit der Nordamerikanischen Platte begann vor 15–12 Mio. Jahren. Die schnelle Gesteinsexhumierung in der St. Elias Syntaxis setzte vor etwa 10 Mio. Jahren ein und war von einer nicht kartierten, heute mit Eis bedeckten Störung nordöstlich der Fairweather-Störung und möglicherweise der Fairweather-Störung selbst begrenzt, was sich strukturgeologisch wahrscheinlich durch eine einseitige, positive „flower structure“ geäußert hat. Der Fokus der schnellen Exhumierung hat sich vor etwa 5 Mio. Jahren nach Südwesten verschoben, begleitet von einer Erhöhung der Exhumierungsrate und –tiefe. So wurden zwischen 5 Ma und 2 Ma ungefähr 10 km an Gestein exhumiert. Ausgelöst wurde diese konzentrierte Deformation vermutlich durch eine Kombination von drei, interagierenden Faktoren: i) der Erhöhung der Kompressionskomponente der Plattenkonvergenz, ii) der Subduktion von zunehmend mächtigerer, ozeanischer Kruste der keilförmigen Yakutat Mikroplatte, sowie iii) veränderter Erosionsmuster und -raten durch die vor 6–5 Mio. Jahren einsetzende Vergletscherung des Gebirges. Die schnelle, pliozäne Exhumierung, die sich um die Fairweather-Störung konzentrierte, wurde strukturell von einer zweiseitigen „flower structure“ getragen, wobei die tiefe Exhumierung auf die Nordamerikanische Platte beschränkt war. Vor etwa 2 Mio. Jahren wanderte der Fokus der stärksten Deformation weiter nach Süden auf die subduzierende Yakutat Mikroplatte. Zusammenfassend veranschaulichen die Ergebnisse, dass Syntaxen als vierdimensionales Problem behandelt werden müssen, da Deformation und Exhumierung zeitlich und räumlich variabel sind. In Syntaxen sind hohe Prozessraten, wie im Fall der St. Elias Syntaxis und der Syntaxen des Himalayas, möglich. Dadurch passen sich geodynamische Prozesse schnell (innerhalb von 0,5 bis 1 Mio. Jahren) an tektonische, rheologische und klimatische Änderungen an.