Tectonic and climate driven fluctuations in the stratigraphic base level of a Cenozoic continental coal basin, northwestern Andes

Changes in the sedimentologic and stratigraphic characteristics of the coal-bearing middle Oligocene–late Miocene siliciclastic Amagá Formation, northwestern Colombia, reflect major fluctuations in the stratigraphic base level within the Amagá Basin, which paralleled three major stages of evolution of the middle Cenozoic Andean Orogeny. These stages, which are also traceable by the changes in the compositional modes of sandstones, controlled the occurrence of important coal deposits. The initial stage of evolution of the Amagá Basin was related to the initial uplift of the Central Cordillera of Colombia around 25 Ma, which promoted moderate subsidence rates and high rates of sediment supply into the basin. This allowed the development of aggradational braided rivers and widespread channel amalgamation resulting in poor preservation of both, low energy facies and geomorphic elements. The presence of poorly preserved Alfisols within the scarce flood plains and the absence of swamp deposits suggest arid climate during this stage. The compositional modes of sandstones suggest sediment supply from uplifted basement-cored blocks. The second stage of evolution was related to the late Oligocene eastward migration of the Pre-Andean tholeitic magmatic arc from the Western Cordillera towards the Cauca depression. This generated extensional movements along the Amagá Basin, enhancing the subsidence and increasing the accommodation space along the basin. As a result of the enhanced subsidence rates, meandering rivers developed, allowing the formation of extensive swamps deposits (currently coal beds). The excellent preservation of Entisols and Alfisols within the flood plain deposits suggests rapid channels migration and a humid climate during deposition. Moderate to highly mature channel sandstones support this contention, and point out the Central Cordillera of Colombia as the main source of sediment. Enhanced subsidence during this stage also prevented channels amalgamation and promoted both, high preservation of geomorphic elements and high diversity of sedimentary facies. This resulted in the most symmetric stratigraphic cycles of the entire Amagá Formation. The final stage of evolution of the Amagá Basin was related to the early stage of development of the late Miocene northwestern Andes tholeitic volcanism (from ∼10 to ∼8 Ma). The extensive thrusting and folding associated to this volcanism reduced the subsidence rates along the basin and thus the accommodation space. This permitted the development of highly aggradational braided rivers and promoted channels amalgamation. Little preservation of low energy facies, poor preservation of the geomorphic elements and a complete obliteration of important swamp deposits (coal beds) within the basin are reflected by the most asymmetric stratigraphic cycles of the whole formation. The presence of greenish/reddish flood plain deposits and Alfisols suggests a dry climate during this depositional stage. The presence of channel sandstones with high contents of volcanic rock fragments supports a dry climate, and suggests an incipient phase of the Combia tholeiitic magmatism present during deposition of the Amagá Formation. The subsequent eastward migration of the NW Andes magmatic arc (after ∼8 Ma) may have produced basin inversion and suppressed deposition along the Amagá Basin.

ResumenCambios en las características sedimentológicas y estratigráficas de la Formación carbonífera de Amagá, Andes nororientales de Colombia, reflejan importantes fluctuaciones en el nivel base estratigráfico a lo largo de la cuenca donde se depositaron (Cuenca de Amagá). Dichas fluctuaciones, que reflejan tres estados principales de evolución de la orogenia Andina en el Cenozoico medio, controlaron la ocurrencia de importantes depósitos de carbón. Esos estados de evolución, que son reflejados por los cambios en las modas composicionáles de las arenícas de la Formación Amagá, se resumen a seguir. Durante el estado inicial de evolución de la cuenca de Amagá, el levantamiento inicial de la Cordillera Central Colombiana (aprox. 25 Ma) promovió moderadas tasas de subsidencia y altas tasas de sedimentación a lo largo de la cuenca. Esto permitió el desarrollo de ríos trenzados muy agradacionáles; resultando en un alto amalgamamiento de los canales de rió y en poca preservación de facies de baja energía y elementos geomorfológicos. La presencia de Alfisoles poco preservados entre las escasas planicies de inundación y la ausencia de depósitos de ciénagas sugieren un clima árido durante este estado inicial. Las modas composicionáles de las arenícas sugieren un basamento siálico levantado como principal fuente de sedimentos. El segundo estado de evolución de la cuenca esta relacionado a la migración del arco magmático pre-Andino de la Cordillera Occidental Colombiana hacia la depresión del Cauca en el Oligoceno tardío. Esta migración generó movimientos extensionáles, aumentando la subsidencia a lo largo de la cuenca y el espacio de acomodación de sedimentos en la misma. Esto permitió también el desarrollo de ríos meandritos y la formación de depósitos de ciénagas (actuales mantos de carbón). La presencia de Entisoles y Alfisoles excelentemente preservados en depósitos de llanuras de inundación sugieren rápida migración de canales durante periodos de clima húmedo. La presencia de areniscas de canal con alta madurez textural y mineralógica apoyan esta idea y apunta la Cordillera Central como principal área fuente de sedimentos. La alta tasa de subsidencia evitó el amalgamamiento de canales y promovió la alta preservación de los elementos geomorfológicos y facies sedimentarias de baja energía. Esto es reflejado por los ciclos estratigráficos con mayor simetría de toda la formación. El estado final de evolución de la cuenca carbonífera de Amagá estuvo relacionado al estado inicial de evolución del volcanismo toleítico del Mioceno tardío en los Andes noroccidentales entre ∼10 y∼8 Ma. Cabalgamientos y plegamientos asociados a este volcanismo redujeron las tasas de subsidencia en la cuenca y por tanto el espacio de acomodación de sedimentos. Esto promovió el desarrollo de ríos trenzados altamente agradacionáles, permitiendo la ocurrencia de canales amalgamados. La pobre preservación de las facies de baja energía y elementos geomorfológicos y la completa desaparición de depósitos de pantano (mantos de carbón) a lo largo de toda la cuenca están reflejados por los ciclos mas asimétricos de toda la formación. La presencia de depósitos de llanuras de inundación de colores verdosos y rojizos, como también de Alfisols sugieren un clima seco durante este estado de depositación de la Formación Amagá. La presencia de areniscas de canal con altos contenidos de fragmentos de rocas volcánicas apoya la ocurrencia de clima seco y sugiere una facie incipiente del magmatismo toleítico del Combia ya activa durante la sedimentación de la Formación Amagá. La subsiguiente migración de arco magmático del NW de los Andes para el este, después de ∼8 Ma, pudo haber producido la inversión tectónica de la cuenca, suprimiendo la depositación a lo largo de la cuenca de Amagá.