Spatial variations in the geochemistry of arc volcanism in Central America

Heydolph, Ken

Volcanism in Central America results from the subduction of the Cocos plate beneath the Caribbean plate. The resulting central American Volcanic arc (CAVA) extends for ~1500 km parallel to the Middle American Trench from Guatemala in the northwest to Costa Rica in the southeast. Characteristic for the CAVA are systematic variations in tectonic parameters (e.g. subducting angle of the Cocos plate), the composition of the subducting plate and the overlying crust. Various partly still active volcanoes and volcanic centers are located along and across the arc and have been subject to intensive research for the past years. The numerous and often contradicting individual models for the origin of arc volcanics in Central America propose a variety of distinct magmatic sources. This dissertation provides new models for the magmatic sources of northwestern and southeastern CAVA rocks. A new and comprehensive dataset of main and trace elements concentrations and ratios, and isotope ratios (Sr-Nd-Pb and for the first time for Central American volcanics Hf) of mafic volcanics und potential magmatic endmembers from the subducting Cocos plate and the overlying Caribbean Plate has been established. Systematic along and across arc geochemical variations of trace element concentrations and ratios and isotope ratios (in particular of Hf and Pb) clearly show that subducting Cocos plate sediments have no influence on the magmatic source components for NW CAVA rocks, as has been proposed by several already published models. The new dataset provides a system of three magmatic endmember components which can explain the observed systematic geochemical variations of NW CAVA rocks. The northwestern CAVA endmember is an enriched magmatic component in the lithosphere beneath Guatemala. The southeastern part of the arc is characterized by the offshore Costa Rica subducting Cocos and Coiba ridges and a neighboring subducting seamount province, which all show an enriched Galapagos hotspot influenced ocean island basalt (OIB) signature (i.e. radiogenic Pb and Hf but unradiogenic Sr and Nd isotopic ratios). New data from mafic volcanics from Costa Rica and Panama show a strong, though systematically from Costa Rica to Nicaragua decreasing influence of the subducting Galapagos hotspot seamount province on the magmatic source composition of the volcanics.

Der Vulkanismus in Mittelamerika ist eine Folge der Subduktion der Cocosplatte unter die Karibische Platte. Die dadurch entstehende mittelamerikanische Vulkankette (im Englischen: Central American Volcanic Arc – CAVA) erstreckt sich über fast 1500 km parallel zum Mittelamerikanischen Graben von Guatemala im Nordwesten bis nach Costa Rica im Südosten. Charakteristisch für die mittelamerikanische Vulkankette ist eine systematische Änderung der tektonischen Parameter (z.B. Subduktionswinkel der Cocosplatte) und der geochemischen Zusammensetzung der subduzierenden Platte und der darüber liegenden Kruste. Entlang und quer zu dieser vulkanischen Front, befinden sich zahlreiche z.T. noch aktive Vulkane und Vulkanzentren, die in den letzten Jahren das Ziel intensiver Forschung waren. Daraus entstanden eine Vielzahl häufig unvereinbarer unterschiedlicher Modelle, die verschiedene magmatische Quellen für den Ursprung der Vulkanite in Mittelamerika postulieren. Im Rahmen dieser Dissertation entstanden neue Modelle, um die magmatischen Quellen der Vulkanite im Nordwesten und Südosten der mittelamerikanischen Vulkankette besser zu bestimmen. Dazu wurde ein neuer, umfassender Datensatz aus Haupt- und Spurenelement Konzentrationen, sowie verschiedener Isotopenverhältnisse (Sr-Nd-Pb und zum ersten Mal für mittelamerikanische Vulkanite Hf) von mafischen vulkanischen Gesteinsproben und verschiedener möglicher magmatischer Endglieder der subduzierenden Cocosplatte und der darüber liegenden Karibischen Platte erstellt. Systematische geochemische Variationen entlang und quer zur Vulkankette von Spurenelement Konzentrationen und Verhältnissen, besonders aber der Hf und Pb Isotopenverhältnisse zeigen deutlich, dass die Sedimente der subduzierenden Cocosplatte nicht zur magmatischen Quellzusammensetzung der Vulkanite im Nordwesten beitragen, wie in mehreren bereits publizierten Modellen angenommen wird. Mit Hilfe der neuen Daten kann vielmehr ein System aus drei magmatischen Endgliedern beschrieben werden, dass die beobachteten systematischen geochemischen Variationen für den Vulkanismus in NW Mittelamerika erklärt. Eine angereicherte (d.h. radiogene Pb und Sr, aber unradiogene Hf und Nd Isotopenverhältnisse) magmatische Quelle in der Lithosphäre unterhalb von Guatemala bildet dabei das nordwestliche magmatische Endglied für die Vulkanite der mittelamerikanischen Vulkankette. Der südöstliche Teil der Vulkankette ist charakterisiert durch die Subduktion des Cocos Rückens und einer angrenzenden submarinen Vulkanprovinz vor Costa Rica. Diese, durch den Galapagos Hotspot geprägten tektonischen Erhebungen, zeigen eine besondere, angereicherte Isotopen-Signatur, die Galapagos Ozeaninseln Basalt (OIB) Signatur (d.h. radiogene Pb und Hf Isotopenverhältnisse). Die im Rahmen dieser Dissertation neugewonnenen Daten von mafischen Vulkaniten aus Costa Rica und Panama zeigen einen von Zentral-Costa Rica nach Nicaragua systematisch abnehmenden aber anfänglich sehr starken Einfluß der subduzierenden Galapagos-Hotspot submarine Vulkanprovinz auf die Quelle für die Vulkanite.

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Heydolph, Ken: Spatial variations in the geochemistry of arc volcanism in Central America. 2010.

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