Dissertation (Metadaten)
Titel (original):Impact of bending related faulting on the seismic properties of the incoming oceanic lithosphere offshore of Nicaragua
(übersetzt):Impact of bending related faulting on the seismic properties of the incoming oceanic lithosphere offshore of Nicaragua
 
Autor:Monika Ivandic
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-28977
 
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):The subduction of H2O is inherently related to the hydrogeology of the oceanic lithosphere entering the trench. Water transported within the subducting oceanic plate affects a number of processes, such as intraslab earthquakes and arc magmatism. Bending related faulting in the subducting lithospheres may intensify hydrothermal flow through aged crust and provide pathways for seawater to reach lower crustal and upper mantle depths. A number of seismic wide-angle reflection and refraction experiments were conducted offshore of Nicaragua to investigate the impact of bending related normal faulting on the seismic properties of the oceanic lithosphere prior to subduction. Based on the reflectivity pattern of multi-channel seismic reflection (MCS) data collected offshore of Nicaragua it has been suggested that bending-related faulting facilitates hydration and serpentinization of the incoming oceanic plate. First seismic wide-angle and refraction data were collected along the profile p50 which extends from the region well seaward of the outer rise, not yet affected by subduction, into the trench northwest of the Nicoya Peninsula, where multibeam bathymetric data show prominent normal faults on the seaward trench slope. A tomographic joint inversion of the seismic refraction and wide-angle reflection data yields a decrease in P-wave velocities in the crust and uppermost mantle as the plate approaches the trench. Seaward of the outer rise velocities are typical for »24 Myr old oceanic lithosphere. In the near-trench region, however, crustal velocities are reduced by 0.2-0.5 km/s compared to normal mature oceanic crust. Seismic velocities of the uppermost mantle are 7.6-7.8 km/s and hence 5-7% lower than the typical velocity of mantle peridotite. These systematic changes in P-wave velocity indicate an evolutionary process in the subducting slab consistent with percolation of seawater through the faulted and fractured lithosphere and serpentinization of mantle peridotites. Two other profiles, located northwest of the profile p50, are parallel to the trench axis. This geometry was chosen to reveal if serpentinization is a common process in the subducting Cocos plate offshore of Nicaragua and not just a local feature. Tomographic inversion of both data sets indeed has shown that seismic velocities are profoundly reduced along the entire lenght of the profiles, both in the crust and uppermost mantle. Upper crustal velocities are not higher than 3.8-4.0 km/s, and the upper mantle is characterized by strong alteration that has i ii caused a reduction of the seismic velocities by 8-10%. The anomalous behaviour is more profound here than in the profile p50, but this observation is most likely due to the geometry of the lines, i.e. fault density is higher along a line parallel to the trench than along one which lies perpendicular. The modeling of the impact of water-filled microcracks on the elastic properties of rocks shows that they could significantly influence the seismic behavior of fractured media. The modeling of the S-wave velocities of the profile p50 has revealed that velocities in the crust are more profoundly reduced than in the P-wave structure. This is an indication that fracture porosity is extensively developed and, thus, has a significant impact on the seismic properties of the crust. One can assume a similar scenario for the upper mantle within a few kilometers just below the Moho. As both processes, hydration and fracturing, are related to each other, it is difficult to separate their effects on seismic properties. Thus, an estimate of 12-17% serpentinization in the uppermost 3-4 km of the mantle is just an upper limit of hydration, i.e. if the reduced velocities we observe in our velocity models were due solely to hydration.
 
(übersetzt):Die Subduktion von Wasser bestimmt wesentlich das hydrogeologische Verhalten ozeanischer Lithosph¨are im Bereich des Tiefseegrabens. Wasser, welches als Teil der subduzierten ozeanischen Platte transportiert wird, beeinflusst dabei maßgeblich Prozesse wie die Seismizit¨at innerhalb dieser Platte sowie im weiteren Verlauf der Subduktion Schmelzvorg¨ange im dar¨uber liegenden Mantel. Durch die Biegung der subduzierten ozeanischen Lithosph¨are hervorgerufene St¨orungssysteme k¨onnen dabei den hydrothermalen Fluss verst¨arken und dadurch f¨ur Meerwasser denWeg bereiten bis in Tiefenbereiche der unteren Kruste und des oberen Mantels. Mehrere refraktionsseismische Messungen vor Nicaragua wurden durchgef¨urt um den Einfluss dieser St¨orungssysteme auf die seismischen Eigenschaften ozeanischer Lithosph¨are unmittelbar vor ihrer Subduktion zu untersuchen. Das Reflektionsverhalten seismischer Mehrkanal-Streamerdaten vor Nicaragua hat bereits gezeigt, dass Biegungsbr¨uche die Hydration und Serpentinisierung der subduzierten ozeanischen Platte erm¨oglichen. Zum ersten mal wurden jetzt seismische Refraktionsdaten entlang eines Profils aufgenommen, welches seew¨arts vom Outer Rise weit vor dem Bereiche beginnt, der durch Biegungsbr¨uche gepr¨agt ist, und bis zum Tiefseegraben nordwestlich der Nicoya Halbinsel verl¨auft, wo F¨acherecholotdaten deutliche Dehnungsbr¨uche seew¨arts des Tiefseegrabens zeigen. Eine gemeinsame tomographische Inversion von Weitwinkelreflexions- und Refraktionsdaten zeigt eine Reduzierung der P-Wellengeschwindigkeit innerhalb der Kruste und des oberen Mantels im Bereich in Richtung des Tiefseegrabens. Im Gegensatz dazu zeigen entsprechende P-Wellengeschwindigkeiten seew¨arts des Outer Rise typische Werte f¨ur 24 Ma alte ozeanische Lithosph¨are. Die beobachtete Geschwindigkeitsreduzierung innerhalb der Kruste im Bereich des Tiefseegrabens betr¨agt 0.2-0.5 km/s. Geschwindigkeiten von 7.6-7.8 km/s im oberen Mantel sind hier 5-7% niedriger als typische Geschwindigkeiten f¨ur Mantelperidotit. Diese systematischen ¨Anderungen der P-Wellengeschwindigkeit deuten auf Prozesse innerhalb der subduzierten Platte hin, die mit der Durchsickerung von Meerwasser durch tektonisch beanspruchte Bereiche der Lithosph¨are und der damit zusammenh¨angenden Serpentinisierung von Mantelperidotit erkl¨art werden k¨onnen. Zwei weitere refraktionsseismische Profile wurden weiter n¨ordlich parallel zum Tiefseegraben aufgenommen. Mit Hilfe dieser Profile sollte gekl¨art werden, ob es sich bei der iv Serpentinisierung um ein ¨ortlich begrenztes Ph¨anomen handelt oder ob gr¨oßere Bereiche der Cocos Platte vor Nicaragua davon gepr¨agt sind. Die tomographische Inversion beider Datens¨atze zeigt deutlich erniedrigte seismische Geschwindigkeiten sowohl innerhalb der Kruste als auch im oberen Mantel jeweils entlang der gesamten L¨ange der Profile. Die Geschwindigkeiten in der oberen Kruste betragen maximal 3.8-4.0 km/s, und der obere Mantel ist gekennzeichnet durch starke Alterationsprozesse, die sich in einer Geschwindigkeitsreduktion von 8-10% manifestieren. Die Geschwindigkeitsanomalien sind hier st¨arker ausgepr¨agt als auf Profil P50, was sehr wahrscheinlich mit dem grabenparallelen Profilverlauf und der damit einhergehenden gr¨oßeren St¨orungsdichte zusammenh¨angt. Die Modellierung des Einflusses von wassergef¨ullten Mikrobr¨uchen im Gestein auf die elastischen Eigenschaften zeigt, dass dieses die seismischen Geschwindigkeiten sehr stark beeinflusst. Die Modellierung der S-Wellengeschwindigkeiten auf Profil P50 zeigt, dass die beobachtete Geschwindigkeitsreduzierung in der Kruste st¨arker ausgepr¨agt ist als im entsprechenden P-Wellenmodell. Das ist ein Hinweis auf eine stark entwickelte Zerkl¨uftungsporosit¨at im Gestein und h¨atte somit einen deutlichen Einfluss auf die seismischen Eigenschaften der Kruste. Ein ¨ahnliches Szenario w¨are f¨ur die obersten Kilometer des Mantels vorstellbar. Weil Hydration und Zerkl¨uftung unmittelbar mit einander zusammenh¨angen, ist es mit dem zur Verf¨ugung stehenden Datensatz unm¨oglich, den jeweiligen Einfluss auf die seismischen Geschwindigkeiten zu trennen. Eine ermittelte Serpentinisierung von 12-17% in den obersten 3-4 km des Mantels ist demzufolge nur als Maximalwert in einem Szenario anzusehen, in dem die beobachteten Geschwindigkeitsanomalien ausschließlich auf die Hydration des Gesteins zur¨uckzuf¨uhren sind.
 
Schlagworte:Subduktio zones,seismics,bending-related faulting,fluids
Subduktio zones,seismics,bending-related faulting,fluids
 
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