Dissertation (Metadaten)
Titel:Bending-related faulting and mantle serpentinization at the Nicaraguan subduction zone
 
Autor:Marten Lefeldt
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-28962
 
Fakultät:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC Sachgebiet:550 Geowissenschaften
 
Datum der mdl. Prüfung:28.04.2008
 
Referent(in):PD Dr. Ingo Grevemeyer
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. Wolfgang Rabbel
 
Beschreibung (original):At a convergent margin large amounts of structurally bound water are carried into the Earth’s interior and - as the subducting plate descends and the temperature rises - are driven off to some extent into the mantle wedge, where they are thought to trigger intermediate-depth earthquakes in the Wadati-Benioff zone and melting under volcanic arcs. However, a largely uncertain fraction outlasts sub-arc fluid release and hence enters the deeper mantle, which leads to a connection between the oceans and the Earth’s deep water cycle. Thus, a detailed knowledge of the water budget of a subduction zone is not only important to understand arc volcanism, but as well to comprehend the chemical development of the Earth’s mantle. For this purpose, profound information about the amount of water that is subducted along with the oceanic plate is indispensable. The present thesis uses geophysical methods to determine the degree of hydration of the Cocos Plate offshore Nicaragua, which is subducted beneath the Caribbean Plate. In general it was assumed that structured water is transported into the slab in sediments and the upper crust only, though in recent years growing evidence suggested that lower crust and upper mantle might contain capacious amounts of fluids as well, since the bending of the incoming oceanic plate leads to a reactivation or creation of normal faults (bend-faults), which are visible in batrymetric data and have been inferred to cut deep enough into the plate to provide a pathway for seawater to penetrate into the lithosphere, changing ”dry” peridotites to ”wet” serpentinites, which contain up to 13% of water. Such a mechanism could transport much more fluids into the earth’s interior than any other considered possibility. However, the cutting depth of these bend-faults and hence the depth that seawater could penetrate into the mantle was not well-defined, for one reason since focal depth of earthquakes associated with the bend-faults were poorly known. Yet previous studies assumed cutting depths such that serpentinization is firstly restricted by its thermal limit of 600± C. This study uses openly accessible, global broadband data of earthquakes offshore Central America as well as an unique dataset from a local long-period earthquake monitoring network offshore Nicaragua, to determine typical focal depths off earthquakes at the trench-outer rise and further relates these focal depths to the cutting depths of bend-faults. In addition, a full 3d-tomographic inversion that consistently integrates seismic airgun blasts and local as well as regional seismicity, could show reduced seismic mantle velocities at the outer rise and nearby the deep sea trench with an evolutionary trend towards it. Best explained is this by a fractured and ii partly serpentinized lithosphere. The use of regional sources (i.e. earthquakes in distances of ¸200 km from the seismic network) in the tomographic inversion process made it possible, for the first time, to reflect the entire brittle lithosphere. In a second approach, relative arrival times of large earthquakes that occurred during the deployment of the seismic network were investigated. Again, it could be shown that seismic mantle velocities decrease in accordance with the onset of bend-faults in the bathymetry. But not only seismic velocities decrease nearby the trench, the average moment magnitude of outer rise earthquakes does as well, though the number of events increases significantly. We explain this a weakened lithosphere and hence a reduced yield strain, which again suggests an occurrence of serpentinite. However, tomographic images suggest that the area of reduced seismic velocities and in turn possible serpentinization does not reach the cutting depth of bend-faults nor the depth of the 600± C isotherm. Focal mechanisms of several earthquakes were determined via moment tensor inversion and forward modelling respectively and it could be shown that where seismic velocities are reduced only tensional ruptures occur, which allow for water infiltration, meanwhile the area beneath is dominated by compressional rupture behaviour, which presents a barrier for seawater. This result does not only confirm and enlarge flexure models of subducting plates [Chapple and Forsyth, 1979; Christensen and Ruff, 1988], but also establishes a coherent connection between stress distribution in the incoming plate and penetration depth of seawater and is the first study in this vein.
 
(übersetzt):An konvergenten Plattengrenzen werden große Mengen chemisch gebundenenWassers in den oberen Erdmantel injiziert und - wenn die subduzierte Platte abtaucht und sich die Temperatur erhöht - durch metamorphe Umwandlungen teilweise wieder in den Mantelkeil freigegeben, wodurch Erdbeben in der Wadati-Benioff Zone ausgel ¨ost werden k¨onnen und der Schmelzpunkt des Mantelkeiles erniedrigt wird, was zu einer Aufschmelzung und somit zum Vulkanismus f¨uhrt. Allerdings wird ein immer noch ungenau bekannter Anteil des gebundenen Wassers nicht freigesetzt, sondern in gr¨oßere Tiefen transportiert, womit eine Verbindung zwischen den Ozeanen und dem Wasserzyklus des Erdmantels hergestellt ist. Somit k¨onnte eine eingehende Kenntnis des Wasserhaushaltes einer Subduktionszone nicht nur Aufschluss ¨uber Vulkanismus, sondern auch ¨uber die Entwicklung des Erdmantels geben. Hierf¨ur ist aber ein Wissen um die genaue Menge an Wasser, die mit der ozeanischen Platte subduziert wird, unabdingbar. Die vorliegende Doktorarbeit benutzt geophysikalische Methoden, um den Hydrierungsgrad der Cocosplatte vor Nicaragua zu bestimmen, die dort unter die Karibische Platte taucht. Im Allgemeinen ging man davon aus, dass chemisch gebundenesWasser ¨uberwiegend in den Sedimenten und dem oberen Teil der Kruste vorkommt, allerdings wurde in den vergangenen Jahren eine weitere M¨oglichkeit hinzugezogen: Taucht die ozeanische Platte unter die kontinentale ab, so findet eine starke Biegung der Lithosph¨are statt, was bereits seew¨arts des Tiefseegrabens zu Br¨uchen der Kruste und des oberen Mantels f¨uhrt. Diese Br¨uche, die deutlich in bathymetrischen Daten erkennbar sind, k¨onnten Meerwasser in die Lithosph¨are eindringen lassen und dabei das ”trockene” Peridotite in Serpentinite umwandeln, welches bis zu 13% Wasser enthalten kann. Ein solcher Mechanismus vermag bedeutend gr¨oßere Mengen Fluide ins Erdinnere zu transportieren, als alle zuvor betrachteten M¨oglichkeiten. Allerdings war bisher nicht genau bekannt, wie tief diese Br¨uche in den Mantel einschneiden und in welche Tiefen somit Meerwasser gelangen kann, was unter anderem daran lag, dass die Herdtiefen der mit den Br¨uchen einhergehenden Erdbeben nur ¨außerst ungen¨ugend bekannt waren. Vorausgegangene Studien nahmen aber Einschnitttiefen derart an, dass Serpentinisierung erst durchs thermische Limit von 600± C begrenzt wird. Diese Studie benutzt zum einen frei zug¨angliche, globale Daten von Erdbeben vor Mittelamerika und zum anderen Daten eines seismischen Langzeitnetzwerkes vor Nicaragua, um erstmals typische Herdtiefen f¨ur Beben seew¨arts des Mittelamerikanischen Tiefseegrabens zu bestimmen und stellt dar¨uber hinaus einen Zusammenhang zwischen diesen Tiefen und der Schnitttiefe der Br¨uche her. Außerdem iv kann durch eine vollst¨andige 3D-Tomographie, die konsistent Luftpulsersch¨usse und lokale sowie regionale Seismizit¨at invertiert, gezeigt werden, dass seismische Mantelgeschwindigkeiten der Cocosplatte in unmittelbarer N¨ahe des Tiefseegrabens reduziert werden. Diese Reduktion deutet auf eine por¨ose, teilweise serpentinisierte Lithosph¨are hin. Dabei machte es die Einbeziehung von ’regionalen’ Erdbeben (d.h. Erdbeben in Abst¨anden von ¸200 km zum Netzwerk) in die tomographische Inversion erstmals m¨oglich, den gesamten br¨uchigen Bereich der Lithosph¨are wiederzugeben. In einem zweiten Ansatz konnte durch relative Laufzeiten f¨ur Strahlen weltweiter Großbeben, die w¨ahrend des Einsatzes des Langzeitnetzwerkes auftraten, ebenfalls gezeigt werden, dass seismische Geschwindigkeiten dort reduziert werden, wo die einfahrende Platte anf¨angt zu brechen. Aber nicht alleine die seismischen Geschwindigkeiten werden Nahe des Tiefseegrabens reduziert, sondern auch die durchschnittlichen Momentmagnituden der Erdbeben, w¨ahrend deren Zahl rapide zunimmt. Dies kann durch eine Abschw¨achung der Belastbarkeit der Lithosph¨are erkl¨art werden, was abermals auf ein Vorhandensein von Serpentinite deutet. Allerdings zeigt diese Studie, dass sowohl die 600± C Isotherme als auch die Einschnitttiefe der Br¨uche bedeutend tiefer liegen, als die Reduktion seismischer Geschwindigkeiten und damit m¨oglicher Serpentinisierung. Durch Momententensor Inversion, bzw. Vorw¨artsmodellierung gelang die Bestimmung von Herdmechanismen mehrerer Erdbeben und es konnte gezeigt werden, dass im Bereich der reduzierten Geschwindigkeiten nur expansive Br¨uche stattfinden, die das Eindringen von Wasser erlauben, w¨ahrend unterhalb nur kompressive Br¨uche auftreten, die das Gegenteil bewirken. Dieses Ergebnis unterstreicht nicht nur bekannte Biegungsmodelle f¨ur subduzierte Platten [Chapple and Forsyth, 1979; Christensen and Ruff, 1988], bzw. erweitert diese, sondern stellt auch einen schl¨ussigen Zusammenhang zwischen Spannungszust¨anden in der Lithosph¨are und dem Eindringen von Meerwasser her. Diese Studie ist die erste dieser Art.
 
Schlagworte:Subduction Zone, Earthquakes, Fluids, Serpentinization
Subduktionszonen, Erdbeben, Fluide, Serpentinisierung
 
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