Forschungsinteressen

Räumlich-zeitliche Entwicklung von intermontanen Becken und Gebirgswachstum; Wechselwirkungen zwischen Klima, Tektonik und Oberflächenprozessen; stabile Isotopengeochemie; Geochronologie; kosmogene Nuklidgeochemie; Stratigraphie; Strukturgeologie

Räumlich-zeitliche Wechselwirkungen zwischen Tektonik, Klima, Erosion und Sedimentation in den südlichen Zentralanden, NW-Argentinien

Gebirgsbildung ist einer der wichtigsten Prozesse bei der Gestaltung der Erdoberfläche über geologische Zeiträume hinweg. An aktiven konvergenten Plattenrändern wirken sich tektonische Verkürzung und Oberflächenhebung auf atmosphärische Strömungsmuster aus und können so eine Asymmetrie in der Verteilung und Menge des Niederschlags  verursachen. Dies wiederum bewirkt steile Gradienten in der Vegetationsdecke und die Effizienz von Erosions- und Ablagerungsprozessen in einem Orogen. In Gebirgsketten, wie den südamerikanischen Anden und dem Himalaya, konzentrieren sich die Niederschläge entlang der windzugewandten Gebirgsflanken, während die inneren Bereiche durch zunehmend geringere Niederschlagsmengen gekennzeichnet ist. In solchen Gebieten sind Tektonik, Klima und Oberflächenprozesse nicht nur eng miteinander verbunden, sondern es kann auch zu interessanten Rückkopplungen zwischen ihnen kommen, mit dem Potenzial, Prozesse auf Krustenebene zu beeinflussen. Wichtig ist, dass tektonisch-klimatische Wechselwirkungen und die daraus resultierenden Oberflächenprozesse eine Vielzahl geologischer und biologischer Prozesse beeinflussen, die die Art und Menge der Sedimente, die den angrenzenden Vorländern zur Verfügung gestellt werden, und die Entwicklung von Migrationskorridoren/-barrieren der Arten steuern können.

Die Anden stellen eine wichtige orographische Barriere auf der Südhalbkugel dar, die die atmosphärische Zirkulation, die Menge und Verteilung der Niederschläge und die Prozesse an der Erdoberfläche in stark asymmetrischer Weise beeinflusst. In den Zentralanden im Nordwesten Argentiniens bilden das Andenplateau (Puna) und die intermontanen Becken der angrenzenden Ostkordilleren geologische Archive, die raum-zeitliche Informationen über die Oberflächenhebung und die damit verbundenen paläo-umweltbedingten Veränderungen liefern. Heute konzentrieren sich die Niederschläge im NW-Argentinien entlang der östlichen Flanken der Ostkordilleren, während die intermontanen Becken und die Puna hochgelegene Regionen mit stark reduzierten Niederschlägen darstellen. Der heutige Einfluss dieser topographischen Merkmale auf die Niederschlagsmuster spiegelt sich in systematischen Veränderungen der wasserstoffstabilen Isotopenverhältnisse des Meteorwassers wider. Proxy-Archive aus Beckensedimenten zeichnen die Umweltbedingungen der Vergangenheit auf und geben Aufschluss über die Art des topographischen Wachstums im Laufe der Zeit.

Wasserstoff-Isotopengeochemie von hydratisiertem vulkanischem Glas

Eine besondere Methode zur Untersuchung der Beziehung zwischen tektonisch-sedimentären Ereignissen und paläoökologischen Veränderungen ist die Analyse von hydratisierten vulkanischen Glasfragmenten aus Vulkanaschen auf ihre Wasserstoff-Isotopenzusammensetzung als Proxy für die Oberflächenhebung und die damit verbundenen klimatischen Verschiebungen. Dieser Ansatz ist möglich, weil rhyolitisches Glas nach der Ablagerung bis zu ca. 10 Gew.-% meteorisches Wasser aufnimmt. Da der Glas-Hydratationsprozess mit einer systematischen Isotopenfraktionierung erfolgt, stellt das D/H-Verhältnis des Glases (δDg) einen einzigartigen Fingerabdruck der Wasserstoff-Isotopenzusammensetzung des Niederschlagswassers (δDw) dar, der zum Zeitpunkt der Ablagerung der Asche vorlag. Schließlich können die δDg Werte über geologische Zeitskalen konserviert werden, was vulkanisches Glas zu einem geeigneten Material für die Rekonstruktion von paläoökologischen Umweltbedingungen und die Untersuchung von Rückkopplungen zwischen tektonischen Prozessen und Klima macht. Hydratisiertes Glas liefert daher einen sehr nützlichen Satz von Isotopendaten, die mit Klimaveränderungen und/oder Gebirgsbildung in Zusammenhang gebracht werden können.

Rekonstruktion von Paläoerosionsraten durch terrestrische kosmogene Nuklidgeochemie

Wenn kosmische Strahlung in die Erdatmosphäre eindringt, löst sie eine kaskadierende Kettenreaktion aus, die dazu führt, dass hochenergetische subatomare Teilchen die Oberfläche einschließlich freigelegter Gesteine bombardieren. Dieser Teilchenfluss interagiert mit Si und O in oberflächennahen quarzhaltigen Gesteinen, wodurch im Laufe der Zeit 26Al, 10Be, 21Ne und 3He - um die wichtigsten zu nennen - mit bestimmten Produktionsraten gebildet werden. Je länger eine Gesteinsoberfläche dieser Strahlung ausgesetzt ist (d.h. je langsamer die Gesteinsabtragung), desto mehr in-situ 10Be wird produziert. Flusssande zeigen zumindest theoretisch eine durchschnittliche Abtragungsrate, die sich aus den beitragenden Einzugsgebieten ergibt. Von hier aus ist es ein kleiner, aber nicht trivialer Schritt, Paläo-Erosionsraten an alten Flusssanden in Sedimentablagerungen abzuleiten.

Ergebnisse vom intermontanen Humahuaca-Becken (Ostkordillere, Nordwestargentinien) - einer Region, die ein tektonisches Wachstum ihrer Randbereiche, eine Isolierung des Beckens und eine orographische Aridifizierung erfuhr - zeigen einen zehnfachen Rückgang der Erosionsraten, der mit dem Auftauchen einer orographischen Barriere zusammenfällt. Dies deutet auf einen engen Zusammenhang zwischen Niederschlag und Erosion hin, während die Hintergrundtektonik bei der Modifizierung der Erosion eine untergeordnete Rolle zu spielen scheint.

Journal contributions:

Arnous, A., García, V. H., Pingel, H., Giambiagi, L., & Strecker, M. R. (2024). Kinematic Evolution of the Santa Bárbara System in the Foreland of the Central Andes of Northwestern Argentina (26°S). Tectonics, 43(6). https://doi.org/10.1029/2023tc008195

Erbello, A., Colleps, C., Melnick, D., Sobel, E. R., Bookhagen, B., Pingel, H., et al. (2024). Magma‐Assisted Continental Rifting: The Broadly Rifted Zone in SW Ethiopia, East Africa. Tectonics, 43(1). https://doi.org/10.1029/2022tc007651

Pingel, H., Alonso, R. N., Bookhagen, B., Cottle, J. M., Mulch, A., Rorhmann, A., & Strecker, M. R. (2024). Reply to Carrapa et al.: Central Puna uplift: Addressing criticisms, affirming conclusions. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121. https://doi.org/10.1073/pnas.2406845121

Quiroga, R., Giambiagi, L., Echaurren, A., Mescua, J., Pingel, H., Fuentes, G., et al. (2024). Boundary Effects of Orogenic Plateaus in the Evolution of the Stress Field: The Southern Puna Study Case (26°30′–27°30′S). Tectonics, 43(7). https://doi.org/10.1029/2023tc008185

Pingel, H., Alonso, R. N., Bookhagen, B., Cottle, J. M., Mulch, A., Rohrmann, A., & Strecker, M. R. (2023). Miocene surface uplift and orogenic evolution of the southern Andean Plateau (central Puna), northwestern Argentina. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(42). https://doi.org/10.1073/pnas.2303964120

Pingel, H., Deeken, A., Coutand, I., Alonso, R. N., Riller, U., Sobel, E. R., et al. (2023). Cenozoic exhumation and deformation of the intermontane Pastos Chicos Basin in the southern Central Andes: Implications for the tectonic evolution of the Andean Plateau (Puna) and the Eastern Cordillera between 23 and 24°S, NW Argentina. Tectonics, 42, e2022TC007487. https://doi.org/10.1029/2022tc007487

Erbello, A., Melnick, D., Zeilinger, G., Bookhagen, B., Pingel, H., & Strecker, M. R. (2022). Geomorphic expression of a tectonically active rift-transfer zone in southern Ethiopia. Geomorphology, 403, 108162. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2022.108162

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Galli, C. I., Alonso, R. N., Amorós, E. B., Pingel, H., Eveling, E., Coira, B. L., et al. (2021). Plio-Pleistocene paleoenvironmental evolution of the intermontane Humahuaca Basin, southern Central Andes. Journal of South American Earth Sciences, 111, 103502. https://doi.org/10.1016/j.jsames.2021.103502

Montero-López, C., Hongn, F., Steinmetz, R. L. L., Aramayo, A., Pingel, H., Strecker, M. R., et al. (2021). Development of an incipient Paleogene topography between the present-day Eastern Andean Plateau (Puna) and the Eastern Cordillera, southern Central Andes, NW Argentina. Basin Research, 33(2), 1194–1217. https://doi.org/10.1111/bre.12510

del-Papa, C., Payrola, P., Pingel, H., Hongn, F., Do-Campo, M., Sobel, E. R., et al. (2021). Stratigraphic response to fragmentation of the Miocene Andean foreland basin, NW Argentina. Basin Research. https://doi.org/10.1111/bre.12589

Figueroa, S., Weiss, J. R., Hongn, F., Pingel, H., Escalante, L., Elías, L., et al. (2021). Late Pleistocene to Recent Deformation in the Thick-Skinned Fold-and-Thrust Belt of Northwestern Argentina (Central Calchaquí Valley, 26°S). Tectonics, 40(1). https://doi.org/10.1029/2020tc006394

Payrola, P., Zapata, S., Sobel, E. R., del Papa, C., Pingel, H., Glodny, J., & Ledesma, J. (2021). Exhumation and structural evolution of the high-elevation Malcante Range, Eastern Cordillera, NW Argentina. Journal of South American Earth Sciences, 105, 102990. https://doi.org/10.1016/j.jsames.2020.102990

Payrola, P., del-Papa, C., Aramayo, A., Pingel, H., Hongn, F., Sobel, E. R., et al. (2020). Episodic out-of-sequence deformation promoted by Cenozoic fault reactivation in NW Argentina. Tectonophysics, 776, 228276. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.228276

Pingel, H., Strecker, M. R., Mulch, A., Alonso, R. N., Cottle, J., & Rohrmann, A. (2020). Late Cenozoic topographic evolution of the Eastern Cordillera and Puna Plateau margin in the southern Central Andes (NW Argentina). Earth and Planetary Science Letters, 535, 116112. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116112

García, V. H., Hongn, F., Yagupsky, D., Pingel, H., Kinnaird, T., Winocur, D., et al. (2019). Late Quaternary tectonics controlled by fault reactivation. Insights from a local transpressional system in the intermontane Lerma valley, Cordillera Oriental, NW Argentina. Journal of Structural Geology, 128, 103875. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2019.103875

Pingel, H., Alonso, R. N., Altenberger, U., Cottle, J., & Strecker, M. R. (2019). Miocene to Quaternary basin evolution at the southeastern Andean Plateau (Puna) margin (ca. 24°S lat, Northwestern Argentina). Basin Research, 31(4), 808–826. https://doi.org/10.1111/bre.12346

Pingel, H., Schildgen, T., Strecker, M. R., & Wittmann, H. (2019). Pliocene–Pleistocene orographic control on denudation in northwest Argentina. Geology, 47(4), 359–362. https://doi.org/10.1130/g45800.1

Rohrmann, A., Sachse, D., Mulch, A., Pingel, H., Tofelde, S., Alonso, R. N., & Strecker, M. R. (2016). Miocene orographic uplift forces rapid hydrological change in the southern central Andes. Scientific Reports, 6(1), 35678. https://doi.org/10.1038/srep35678

Pingel, H., Mulch, A., Alonso, R. N., Cottle, J., Hynek, S. A., Poletti, J., et al. (2016). Surface uplift and convective rainfall along the southern Central Andes (Angastaco Basin, NW Argentina). Earth and Planetary Science Letters, 440, 33–42. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.02.009

Rohrmann, A., Strecker, M. R., Bookhagen, B., Mulch, A., Sachse, D., Pingel, H., et al. (2014). Can stable isotopes ride out the storms? The role of convection for water isotopes in models, records, and paleoaltimetry studies in the central Andes. Earth and Planetary Science Letters, 407, 187–195. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.09.021

Pingel, H., Alonso, R. N., Mulch, A., Rohrmann, A., Sudo, M., & Strecker, M. R. (2014). Pliocene orographic barrier uplift in the southern Central Andes. Geology, 42(8), 691–694. https://doi.org/10.1130/g35538.1

Pingel, H., Strecker, M. R., Alonso, R. N., & Schmitt, A. K. (2013). Neotectonic basin and landscape evolution in the Eastern Cordillera of NW Argentina, Humahuaca Basin (~24°S). Basin Research, 25(5), 554–573. https://doi.org/10.1111/bre.12016

Hain, M. P., Strecker, M. R., Bookhagen, B., Alonso, R. N., Pingel, H., & Schmitt, A. K. (2011). Neogene to Quaternary broken foreland formation and sedimentation dynamics in the Andes of NW Argentina (25°S). Tectonics, 30(2). https://doi.org/10.1029/2010tc002703

Conference Abstracts:

Pingel, H., Mulch, A., Strecker, M. R., Alonso, R. N., Cottle, J., Rohrmann, A. (2018). From foreland to intermontane basin: Surface uplift and orographic barrier formation in the Eastern Cordillera by means of volcanic glass stable isotopes (Quebrada del Toro). Geophysical Research Abstracts, 20, EGU2018-8984, EGU General Assembly 2018, Vienna, Austria.

Pingel, H., Schildgen, T., Wittmann, H. (2017) Plio-Pleistocene paleo-erosion rates as a recorder of orographic barrier uplift in the NW-Argentine Andes (Humahuaca Basin), Geophysical Research Abstracts, 19, EGU2017-13967, EGU General Assembly 2017, Vienna, Austria.

Pingel, H., Mulch, A., Rohrmann, A., Alonso, R.N., Strecker, M.R. (2015). Hydrogen stable isotopes from hydrated volcanic glass record orogenic growth and climate change at the eastern Puna Plateau margin, NW Argentina. AGU Fall Meeting Abstracts, T21B­-2816, San Francisco, USA. (Poster) 

Pingel, H., Mulch, A., Strecker, M.R., Cottle, J.M., Poletti, J., Rohrmann, A., Alonso, R.N. (2014). Orographic barrier development along the eastern flanks of the southern central Andes, Argentina: new insights from stable hydrogen isotopes in hydrated volcanic glass.  AGU Fall Meeting Abstracts, T21C­-4624, 2014, San Francisco, USA. (Poster) 

Pingel, H., Strecker, M.R., Mulch, A., Rohrmann, A., Alonso, R.N. (2013). Tracking Orographic Barriers through Hydrogen Stable Isotopes in Hydrated Volcanic Glass (Humahuaca Basin, E Cordillera, NW Argentina, 23­-24°S).  AGU Fall Meeting Abstracts, T41B­-2569, 2013, San Francisco, USA. (Poster) 

Pingel, H., Strecker, M.R., Mulch, A., Hynek, S.A. (2012). Orographic Barrier Uplift and Climate-System Interactions in the Southern Central Andes of NW Argentina; Insights from Stable Isotope Hydrogen Compositions of Hydrated Volcanic Glasses.  AGU Fall Meeting Abstracts, T33B-2659, 2012, San Francisco, USA. (Poster) 

Pingel, H., Strecker, M.R., Hilley, G.E., Alonso, R., Schmitt, A.K. (2011). Sedimentary and Tectonic Evolution of the Intermontane Humahuaca Basin in the Eastern Cordillera of NW Argentina (~23.5°S): Possible Feedbacks between Sedimentary and Tectonic Processes. AGU Fall Meeting Abstracts, T24C-07, 2011, San Francisco, USA.

Pingel, H., Strecker, M.R., Hilley, G.E., Alonso, R., Schmitt, A.K. (2011). Intermontane Basin and Landscape Evolution in the Eastern Cordillera of NW Argentina – S Humahuaca Basin (23°S). Geophysical Research Abstracts, 13, EGU2011-11654, EGU General Assembly 2011, Vienna, Austria.

Pingel, H., Strecker, M.R., Hilley, G.E., Alonso, R., Schmitt, A.K. (2009). Neotectonic Basin and Landscape Evolution in the Eastern Cordillera of NW Argentina - Humahuaca Basin (23-24°S). AGU Fall Meeting Abstracts, T43B-2060, 2009, San Francisco, USA. (Poster)

Pingel, H. and Strecker, M.R. (2009). Neotectonic evolution of the southern intermontane Humahuaca basin, E Cordillera, Argentina (23°S lat): insights into Neogene to Quaternary foreland basin and landscape evolution in the southern central Andes. TECTSED 2009, Bonn, Germany. (Poster)