La plus ancienne ignimbrite, visible dans l'amont du canyon du río Chili (Fig. 1), comprend trois unités d'écoulement, de 90 à 150 m d'épaisseur totale, reposant sur des brèches tertiaires et des quartzites du Précambrien. Les zones intermédiaires, parfois columnaires, sont partiellement soudées et dévitrifiées avec des ponces aplaties, tandis que le sommet et la base ne sont pas soudés. L'ignimbrite est riche en ponces porphyriques centimétriques à décimétriques, à vésicules arrondies, contenues dans une matrice cendreuse riche en cristaux. Elle a été datée à 13,33 Ma (Tableau 1 ; [9]). La géométrie de cette ignimbrite miocène est mal connue, mais elle s'étale aussi au nord du Misti entre le groupe Tacaza oligocène et les laves du groupe Barroso d'âge Mio-Pliocène [3]. Elle semble se poursuivre vers le Sud-Est de la vallée du río Chili sous le piémont du Misti, mais elle n'est pas observée vers l'Ouest du bassin.

La nappe La Joya, datée à environ 4,9 Ma (Tableau 1), s'est écoulée dans le bassin d'Arequipa vers le sud, le sud-est et surtout le sud-ouest, où elle a dépassé le batholite d'Arequipa jusqu'à La Joya à 40 km du massif du Chachani, en surmontant un escarpement mesurant aujourd'hui 350 m (Fig. 1). D'après la surface couverte (800 km²) et les épaisseurs mesurées (Fig. 2), le volume de la nappe La Joya est estimé entre 15 et 20 km³ (Tableau 1). Épaisses de 20 m en moyenne, des coulées de cendres et ponces indurées forment une séquence de refroidissement comprenant deux unités d'écoulement totalisant 50 m au milieu et à l'amont du canyon du río Chili. La séquence présente : une semelle cendreuse de 50 cm à 3 m d'épaisseur, un corps partiellement soudé à densément soudé, avec fiammes dévitrifiées, et un sommet peu soudé et dévitrifié. Le corps de l'ignimbrite montre des ponces fibreuses dans une matrice riche en cristaux contenant moins de 5 % de xénolites. La partie distale de la nappe, épaisse de 5 à 15 m sur le piémont de Vitor, est meuble et riche en ponces et en xénolites arrachés au batholite, pris dans une matrice riche en quartz, sanidine et biotite. L'unité sommitale de La Joya, à l'amont du río Chili, et la partie distale de cette ignimbrite près de la ville éponyme, à 40 km à l'WSW d'Arequipa, ont livré deux âges ⁴⁰Ar–³⁹Ar sur sanidine similaires : 4,88±0,22 et 4,87±0,02Ma (Tableau 1).

La nappe « aéroport d'Arequipa » forme le sommet du remplissage du bassin et se subdivise en deux unités d'écoulement : une blanche à la base et une rose au sommet, sans sédiments intercalés, mais dont le contact devient plus tranché vers l'amont du bassin. En rive droite du río Chili, des lits de retombées pliniennes épais de 8 m séparent la nappe de La Joya de l'unité rose de la nappe « aéroport d'Arequipa ». D'après la superficie et les épaisseurs connues (Figs. 1 et 2), le volume de cette nappe est estimé à 20 km³ (Tableau 1).

À la base, l'unité d'écoulement blanche repose sur des alluvions qui la séparent de l'ignimbrite La Joya en position distale, au sud-ouest du bassin (Fig. 2). Elle forme une séquence de refroidissement, épaisse de 100 m au sud-ouest du bassin d'Arequipa, dans les paléo-affluents du río Chili, près de la confluence avec le río Yura (Fig. 2). Au contraire, elle devient un tuf peu soudé mais dévitrifié et induré, qui s'amincit vers l'Est et le Sud-Est du bassin d'Arequipa. Sa matrice est riche en ponces non déformées, altérées et à vésicules arrondies, en fragments laviques, en obsidiennes et en cristaux libres. Au sommet, l'unité rose correspond à une ou deux coulées de ponces fibreuses centimétriques, riches en clastes d'andésite, notamment au nord et au NNW du bassin. Vers l'Ouest et le Nord-Ouest du bassin, l'unité rose est surmontée par de minces dépôts détritiques sur le piémont du Chachani, puis par les coulées de lave pléistocènes des dômes de la Pampa de Palacio. Vers le Nord-Est du bassin, les brèches hydroclastiques (non datées) de la base du massif du Chachani viennent recouvrir l'unité rose en l'érodant. Celle-ci a été datée à environ 1,65 Ma (Tableau 1).

Des ignimbrites beaucoup moins volumineuses ont été émises au Quaternaire par les paléovolcans antérieurs aux édifices récents comme le Misti, donc avant 0,83 Ma [9]. Les tufs de Yura épais de 10 à 50 m et très faiblement indurés forment une série de lits cendreux riches en ponces, en obsidiennes et pauvres en xénolites. Ces tufs dans lesquels s'intercalent des dépôts pyroclastiques remaniés ont été canalisés dans la vallée du río Yura. Des ponces de ces tufs ont été datées à 1,02 Ma (Tableau 1) et leur volume est estimé à environ 1,5 km³. Des téphras et une ignimbrite de la formation Capillune affleurent à l'est du Chachani, sur l'altiplano. Attribués au Quaternaire [11] et équivalents stratigraphiques des tufs de Yura, ils attestent qu'une activité pyroclastique a précédé l'édification du complexe du Chachani.

Toutes les ignimbrites sont des tufs comprenant 60 à 80 % de verre et ponces, 15 à 30 % de cristaux et 5 à 25 % de xénolites. La première corrélation est fondée sur les cortèges de minéraux (Tableau 1), mais ils ne fournissent pas de critères de distinction suffisants. L'ignimbrite de río Chili est à plagioclase, sanidine, quartz, oxydes FeTi et pourcentages élevés de biotites (16 %) et d'amphiboles (17 %). Le cortège minéralogique de La Joya est un peu différent : plagioclase > sanidine > quartz 18 % > biotite > oxydes FeTi > amphibole 4 % ; les pourcentages élevés de quartz (18 %) et de sanidine (30 %) caractérisent La Joya. La nappe « aéroport d'Arequipa » comprend deux unités, mais la minéralogie des ponces altérées de l'unité blanche n'est pas connue. La matrice vitreuse contient du plagioclase, du quartz, mais aussi de la cristobalite et de la tridymite. L'unité rose contient des ponces fibreuses subaphyriques dans une matrice oxydée par l'hématite, avec des cristaux libres semblables à ceux des ponces : plagioclase, biotite, opaques, rares quartz et sanidine. Cette unité rose contient beaucoup moins de quartz que la blanche et que La Joya. Les tufs de Yura possèdent des ponces très pauvres en cristaux (plagioclase > sanidine, quartz, biotite > opaques).

Vingt-six analyses XRF et ICP–MS des éléments en traces de ponces sont utilisées pour caractériser les nappes d'ignimbrite. Le Tableau 2 présente une sélection des analyses les plus représentatives. L'examen des éléments incompatibles met en évidence deux groupes, qui correspondent à des ignimbrites d'âges différents : le premier comprend celles de río Chili et La Joya, caractérisées par des teneurs en Th et U élevées (Tableau 2 : 15–27 ppm ; 3,5–6,2 ppm). Identifié au contraire par des teneurs en Th et U faibles (Tableau 2 : 3–7,5 ppm et 0,4–2 ppm), le second groupe rassemble les ignimbrites les plus récentes, « aéroport d'Arequipa » et tufs de Yura. Ces différences peuvent refléter une participation crustale plus importante dans la genèse des rhyolites río Chili et La Joya. Les terres rares des ignimbrites néogènes révèlent trois groupes (Tableau 2). Les tufs de Yura sont les seuls à posséder une anomalie positive en Eu et le plus faible enrichissement en terres rares légères. Au contraire, l'ignimbrite La Joya présente l'anomalie la plus négative en Eu, associée à des teneurs faibles en Ba, caractéristique d'un fractionnement contrôlé par la sanidine. Les nappes « aéroport d'Arequipa » et río Chili montrent une anomalie en Eu très faiblement négative, associée à de plus fortes teneurs en Ba, donc probablement un fractionnement moindre de sanidine. En revanche, la teneur en Sr plus élevée dans ces nappes pourrait refléter un fractionnement contrôlé par le plagioclase. Ces variations de composition des magmas sont liées à la combinaison de plusieurs processus, comme l'enrichissement variable de la source au cours du temps, mais aussi la différenciation et la contamination des magmas au sein de la croûte.

Elles sont bien séparées dans le temps : des sédiments et des retombées aériennes sont intercalés en position distale entre les ignimbrites « aéroport d'Arequipa » et La Joya et les âges ⁴⁰Ar–³⁹Ar les distinguent clairement. Des nappes ignimbritiques volumineuses sont mises en place deux fois en 3 Ma au Pliocène, alors qu'une période de repos apparente de 6 Ma les sépare des ignimbrites du Miocène supérieur. Durant une période de repos volcanique apparent, deux phases tectoniques importantes ont eu lieu vers 10 et 7 Ma environ [7]. Le contact entre les deux unités de la nappe « aéroport d'Arequipa » devient plus tranché vers le nord et l'est du bassin. L'unité supérieure rose est datée à 1,65 Ma, mais l'unité inférieure blanche ne l'est pas encore. Cependant, une méthode de datation indépendante (trace de fission sur des obsidiennes de l'unité blanche près de l'aéroport) a donné un âge de 2,42±0,11Ma [12], voisin des âges KAr de 2,76±0,1Ma et 2,9±0,1Ma donnés par ces auteurs au tuf distal de Vitor sur le piémont, au sud-ouest, et à l'ignimbrite blanche, dans l'Ouest du bassin (Quebrada Cuico). L'absence de sédiment ou de sol entre les deux unités suggérait pourtant une période de repos relativement plus courte. Enfin, au cours du Pléistocène, le volume des ignimbrites émises (tufs de Yura) est plus faible d'un ordre de magnitude environ : ce déclin serait lié à la diminution du taux de convergence et au régime de distension prévalant dans la Cordillère occidentale [6].

Elle est beaucoup plus étalée que ses homologues. Cette dispersion suggère un écoulement, soit énergétique (débit et vitesse élevés), soit très épais et volumineux, capable de surmonter le batholite d'Arequipa, à 350 m au-dessus de la surface actuelle du bassin et à plus de 20 km de la source présumée (si l'on exclut des mouvements verticaux relatifs postérieurs à 4,9 Ma). L'unité blanche de la nappe « aéroport d'Arequipa » est moins étalée et l'unité rose est constituée de coulées cendro-ponceuses, sans granoclassement, et dépourvues de banc riche en brèches, dont la mise en place suggère un débit et/ou un volume d'écoulement plus faible(s).

Les éléments en traces, dont les terres rares, permettent de distinguer des groupes de composition concordants avec la stratigraphie (Tableau 2). Bien que faible, cette variation temporelle dans la composition permet de caractériser deux groupes, l'un Mio-Pliocène, l'autre Plio-Quaternaire. Ces faibles variations de composition pourraient refléter, entre autres processus, une participation plus ou moins importante de la croûte continentale dans la genèse des magmas au cours du temps, ainsi que le fractionnement plus important de certains minéraux (sanidine). Les ignimbrites plus anciennes río Chili et La Joya se sont mises en place entre les événements tectoniques majeurs à environ 17, 10 et 7 Ma, à travers une croûte épaissie, qui pourrait expliquer l'importance de la contamination crustale. Les ignimbrites plus récentes, « aéroport d'Arequipa » et tufs de Yura, sont contemporaines d'une période de convergence moins rapide, associée à de l'extension en surface, qui serait moins favorable à la contamination des magmas dans la croûte.