New insights into La Pacana caldera inner structure based on a gravimetric study (central Andes, Chile)

Abstract

La Pacana (central Andes, Northern Chile) is one of the largest resurgent calderas in the world, formed 4 Ma ago during an eruption with a VEI of 8.7. We undertake a gravimetric study to contribute new insights into the inner structure and evolution of this caldera. The La Pacana Bouguer residual anomaly is asymmetric and has an average amplitude of -12 to -14 mGal, which we interpret as being produced by the low-density intracaldera ignimbrite infill. A reinterpretation of the caldera stratigraphy plus the available geochronology suggests that the current shape of La Pacana was produced by the collapse of two nested calderas, roughly limited by the axis where the resurgent dome changes its orientation, with the oldest eruption in the southern part of La Pacana. The gravity data suggests that these southern and northern nested structures would have collapsed with downsag and trap-door geometries respectively, evidence of asymmetric subsidence. Intra caldera ignimbrite thicknesses were calculated with 2.5D forward models and show that the ignimbrite infill in its southern and northern parts reach similar to 0.6-1.1 km and similar to 2.5-3 km respectively. Using Gauss's theorem, we calculate the volume of the intra caldera ignimbrite infill is similar to 3,400-3,500 km(3), in agreement with previous estimates and with models that show that the larger the caldera diameter, the larger the erupted volume.

La Pacana (Andes centrales, norte de Chile) es una de las calderas resurgentes más grandes del mundo, formada 4 Ma atrás en una erupción con un VEI de 8,7. Hemos realizado un estudio gravimétrico de la caldera para contribuir con nuevos antecedentes sobre su estructura interna y evolución. La anomalía residual de Bouguer de La Pacana es asimétrica y tiene una amplitud promedio de entre -12 a -14 mGal, la que se interpreta que es producida por el relleno de baja densidad de ignimbritas intracaldera. Una reinterpretación de la estratigrafía de la caldera junto con la geocronología disponible sugiere que la forma actual de La Pacana fue producida por el colapso de dos calderas anidadas, cuyo límite aproximado sería el eje donde el domo resurgente cambia su orientación, y con la erupción más antigua en la parte sur de La Pacana. Los datos gravimétricos sugieren que estas estructuras anidadas sur y norte habrían colapsado con geometrías de tipo downsag y trap-door respectivamente, evidencias de subsidencia asimétrica. Los espesores de las ignimbritas intracaldera fueron calculados con modelos directos en 2.5D los cuales muestran que el relleno en sus partes sur y norte alcanza a los ∼0,6-1,1 km y ∼2,5-3 km respectivamente. Mediante el teorema de Gauss, calculamos que el volumen de las ignimbritas intracaldera llega a los ∼3.400-3.500 km3 , de acuerdo con estimaciones previas y con modelos que muestran que mientras más grande es el diámetro de la caldera, mayor es el volumen de material eruptado.