Evolution of fluvial drainage during mountain building in the Eastern Cordillera of the Colombian Andes

Abstract

La Cordillera Oriental de Colombia se caracteriza por dos dominios topográficos: i) una meseta axial (Sabana de Bogotá) dominada por ríos longitudinales de baja pendiente, con bajo relieve y pendientes locales, cuya tasa de erosión media ha sido estimada en este trabajo en 11 ± 1 mm/ka; y ii) los flancos de la Cordillera, con alto relieve local y pendiente dominada por ríos transversales con alta pendiente y con un valor erosivo medio de 70 ± 10 mm/ka, evidenciando un contraste erosivo entre los dos dominios. Estos dominios están separados por las dos divisorias de aguas principales oriental y occidental. Los análisis morfométricos (incluyendo el Specific Stream Power, el gradiente del canal y los valores de chi), así como con las observaciones de campo, demuestran una reorganización de la red de drenaje por migración progresiva de las divisorias hacia la parte interna del orógeno a partir de discretos eventos de captura fluvial. La comparación de las tasas de erosión obtenidas con los parámetros digitales geomorfológicos resulta en correlaciones positivas. Valores altos en Specific Stream Power y/o en gradiente del canal están directamente relacionados con valores altos en velocidad de erosión, definiendo un patrón que varía en función de la precipitación media anual. Se proporcionan nuevos datos de edad de exposición en una terraza fluvial para el flanco oriental de la Cordillera (río Guayuriba), para la que he obtenido edad de 655 ka y una consiguiente tasa de incisión media de 62 mm/ka. Se interpreta la reorganización fluvial en la Cordillera Oriental desde un estado dominado por ríos longitudinales a otro con ríos transversales. El contraste erosivo entre los dos dominios topográficos mencionados arriba fue primariamente impulsado por el incremento en la pendiente regional del orógeno por acumulación progresiva del acortamiento y engrosamiento cortical, y condicionado por capturas fluviales. A nivel local, el clima, tectónica y litología juegan un rol secundario en el control de las tasas de erosión y la dinámica de cuencas. Se propone un modelo de reorganización del drenaje para la Cordillera Oriental de Colombia basado en la distribución de knickpoints, el análisis de chi, evidencias de campo, las tasas de erosión y los datos publicados de paleodrenaje. En esta tesis interpreto el descenso de nivel de base por la reapertura de la cuenca del Magdalena como el principal precursor del inicio de las capturas fluviales en la Cordillera Oriental de Colombia, asociado a una onda erosiva que remonta aguas arriba. Esta tesis contribuye al conocimiento de la terraza de Bucaramanga. El análisis de isótopos cosmogénicos en un perfil vertical en una terraza cercana, proporciona una edad estimada de abandono de 400 ka, relacionado con el fin del aporte sedimentario en esta zona. Esta estimación se relaciona con la primera captura en la Cordillera Oriental, en la cual la cuenca del Suárez es capturada por un tributario del Magdalena. A partir de esta primera captura en la Cordillera Oriental, la onda erosiva empieza a remontar aguas arriba en la cuenca del Suárez, resultando en la captura de la cuenca del Chicamocha. Al mismo tiempo, la onda erosiva iba remontando a través del Magdalena proporcionando más energía potencial a sus afluentes situados en el flanco occidental de la Cordillera, con la consiguiente amenaza de captura de la Sabana por estos ríos transversales. De esta manera, se promueve la migración lateral de las divisorias de aguas en dirección hacia el centro de la meseta. Las condiciones endorreicas de la Sabana fueron interrumpidas por una primera captura por el río Sumapaz. Finalmente, la Sabana de Bogotá fue capturada una segunda vez, resultando en la configuración de drenaje actual.

The Eastern Cordillera of Colombia is characterized by two topographic domains: i) an axial plateau (Sabana de Bogotá) dominated by longitudinal rivers, with low local relief and slope, where the mean erosion rate is calculated in 11 ± 1 mm/ka, and ii) the Cordillera flanks with high local relief and slope dominated by steep transverse rivers with a mean value of 70 ± 10 mm/ka, arguing for an erosive contrast between the two domains. These domains are separated by two main drainage divides in the eastern and western sides of the Sabana de Bogotá plateau. Morphometric analysis (including specific stream power, channel gradient and chi values distribution) and field observations evidence a reorganization of the drainage network by progressive divide migration toward the inner plateau by discrete events of capture. Comparison of the erosion rates here obtained with the geomorphic digital parameters result in positive correlations. High values of SSP and/or Mx are directly related to high values of erosion rate and define a varying pattern in function of the mean annual precipitation in the sampled basin. In addition, new exposure age data is provided for the eastern flank of the Cordillera, a terrace of the Guayuriba river with an age of 655 ka which provides a an average incision rate of 62 mm/ka. The erosive contrast between the two topographic domains is in agreement to the interpretation of fluvial reorganization from longitudinal to transverse-dominated drainage in the Eastern Cordillera. I interpret that drainage rearrangement was primarily driven to the increase of the orogen regional slope by progressive accumulation of crustal shortening and thickening and conditioned to fluvial captures. At a local scale, climate, tectonics and lithology play a secondary role in controlling the erosion rates and the basin dynamics. A new model of drainage evolution for the Eastern Cordillera of Colombia is proposed in this thesis according to knickpoint distribution, chi analysis, field evidences, erosion rates and published paleodrainage data. I proposed that the decrease of the base level by the reopening of the Magdalena basin was the main precursor of the beginning of fluvial captures in the Eastern Cordillera, related to an erosion wave propagating upwards. This thesis provides an important contribution for the Bucaramanga fan knowledge. The cosmogenic depth profile dating in an abandoned terrace adjacent to the Bucaramanga deposit, provide us an estimation of the end of sediment supply of 400 ka. This estimation is related to the first capture in the Eastern Cordillera of the Suárez basin by a Magdalena tributary. Since this first capture, the erosion wave began to propagate in the Suárez basin resulting in the capture of the Chicamocha basin. At the same time, the erosion was moving upwards along the Magdalena river, providing more potential energy to the tributaries located in the western flank, with the consequently threatening of the Sabana. In this way, the main divides begun to retreat and move towards the center of the plateau. Endorheic condition in the Sabana was interrupted by a first capture by the Sumapaz river. Finally, the Sabana was captured by a second time, resulting in the current drainage configuration.