Causes of along- and across-arc geochemical variations in the Southern Volcanic Zone (33°-43°S) in Chile and Argentina

The Southern Volcanic Zone (SVZ) in Chile is a 1,200 km long subduction zone. Along-arc variation in the magma geochemistry is a common characteristic of such long subduction zones. Many factors can control the magma composition. First, the slab input can vary in composition. The subducted sediments composition can vary, as they are a function of climate and therefore erosion and material supply in the trench, whereas the composition of the oceanic crust can vary in age (and consequently in slab surface temperature) and depends also at which mid-ocean ridge it has formed. The local tectonic settings of the incoming plate (e.g. the presence or absence of major fracture zones or bend faults) will affect the degree of alteration and hydration of the lower oceanic crust and the lithospheric upper mantle, increasing the potential for serpentinization. The slab geometry can also vary. A deeper slab will be hotter and could possibly melt, which will increase the potential of carrying incompatible but fluid-immobile elements. On the upper plate, the tectonic will also play an important role. Increasing crustal thickness may increase the potential for crustal assimilation or fractional crystallization. In order to evaluate the effect of these factors on magmatic geochemistry, this PhD thesis presents a comprehensive geochemical data set (major and trace elements and O-Sr-Nd-Hf-Pb isotopes) from Holocene primarily olivine-bearing volcanic arc rocks, Chilean trench sediments and Andean crustal basement from 33°S to 43°S and extending to 300 km into the backarc in Argentina. All the volcanic arc samples show typical subduction zone trace element enrichment in highly incompatible and fluid-mobile elements and depletions in High Field Straight Elements and Heavy Rare Earth Elements. The backarc show the least enrichments and depletions, consistent with less of a slab-derived component, and consequently lower degrees of melting. The Transitional (T) SVZ (34.5-38°S) overlap the backarc samples in Sr and Nd isotopic composition, whereas the Northern (N) SVZ (33-34.5°S) extends to higher Sr and lower Nd and Hf isotope ratios. The Central (C) SVZ (38-43°S) stratovolcano samples are slightly shifted to higher Sr and/or Nd isotope ratios, whereas the monogenetic cinder cones between them are similar to the TSVZ samples. All samples form a tight correlation on the Pb isotopes diagrams. The volcanic arc samples plot at the radiogenic end of the array formed by the backarc samples. And largely overlap the trench sediments. This correlation indicates mixing between a South Atlantic Mid-Ocean Ridge Basalt (MORB) source and a slab component derived from subducted trench sediments and altered oceanic crust. The difference in ratios of more- to less-incompatible fluid-immobile element ratios between the volcanic arc, backarc and trench sediments indicate that the slab component is a hydrous melt. The lack of correlations between MgO (or SiO2) and isotopes and the tight correlations of the Pb isotopes preclude significant assimilation of the old sialic crust in the TSVZ and CSVZ. Hf-Nd isotope ratios define separate linear arrays for the volcanic arc and backarc, neither of which trend toward subducting sediment, possibly reflecting a primarily asthenospheric mantle array for the volcanic arc and involvement of enriched Proterozoic lithospheric mantle in the backarc. Some backarc samples show an extra-enriched component with slightly higher Sr but lower Nd and Hf isotope ratios, and elevated delta 7/4 and delta 8/4, which are interpreted to be a different enriched mantle component, possibly subcontinental lithospheric mantle, than found in the other backarc samples. Although the CSVZ monogenetic cones are similar to the TSVZ stratovolcano samples, the CSVZ statovolcanoes have higher fluid-mobile to fluid-immobile element ratios and lower more- to less-incompatible fluid-immobile element ratios, consistent with an overall higher fluid flux and higher degrees of melting for the CSVZ. The higher Hf-Nd isotope ratios of the stratovolcanoes suggest a greater contribution from a more depleted source. Combined with geomorphologic data and geophysical data, this indicates derivation of a slab component carrying a combined signature of trench sediments and seawater altered oceanic crust and possibly serpentinized upper mantle, due to the larger hydration of the incoming plate caused by the more prominent and numerous fracture zones and bend faults in this segment. δ18O(melt) from groundmass or converted from olivine (by adding 0.6‰) yields values that extend below and above the MORB mantle range (see Bindeman, 2008 and references therein). The TSVZ, CSVZ monogenetic cone and backarc samples largely overlap the MORB mantle range and extend slightly above, but remain within the Island arc range. In contrast, the CSVZ stratovolcano samples fall below the MORB mantle range, indicating the possible influence from a depleted source such as serpentinites. The NSVZ samples, surprisingly, fall within the MORB range and show no correlation with parameters of differentiation (e.g. SiO2 or MgO) or isotopes precluding significant upper crustal assimilation. A quantitative mixing model between a mixed-source (slab-derived melt and a heterogeneous mantle beneath the volcanic arc) is consistent with local geodynamic parameters, assuming water-saturated conditions within the slab. This model predicts melting of the top several km of the slab (including sediments and oceanic crust) in both TSVZ and CSVZ. The SED:AOC ratio differs in the TSVZ (60:30) and in the CSVZ (30:70), whereas the amount of slab-derived melt added to the mantle wedge is higher in the CSVZ than in the TSVZ, consistent with the observed geochemical variations. The NSVZ samples are shifted to higher Sr isotope ratios and delta 8/4, and lower 206Pb/204Pb and Nd isotope ratios, but have similar delta 7/4 than the other volcanic arc samples. This is inconsistent with the pre-existing models of crustal assimilation or subduction erosion of the old sialic upper crust. Looking at a larger scale, there is evidence that both Southern and Northern American plates shared a common history since the Proterozoic (Ramos, 2010). The lower crust in Arizona for example has Sr, Nd and Pb isotope ratios appropriate to explain the NSVZ geochemical isotopic variations. Therefore the lower crust beneath the NSVZ may be similar to the one in Arizona. Another plausible scenario would be the flow of enriched asthenosphere derived from a plume component (Gough-type) that has been dragged into the Andes by convection of the South Atlantic mantle and then pushed southward via trench-parallel flow, consequently to the slab flattening and eastward arc migration during the Miocene. Finally, at least three mantle components have been identified in the SVZ: 1) depleted South Atlantic MORB (SAM-D) and 2) enriched South Atlantic MORB (SAM-E), which both were inferred from the normal backarc array in Sr-Nd isotopes, 3) an extra-enriched component in some CSVZ backarc, with high 87Sr/86Sr, delta 7/4 and delta 8/4, possibly reflecting enriched plums in the lithosphere. There may be an additional component that reached the NSVZ segment through flow of enriched (OIB-type) asthenospheric mantle, with higher 87Sr/86Sr and delta 8/4, lower 143Nd/144Nd and 206Pb/204Pb and similar delta7/4 than the TSVZ.

Die Vulkankette im Süden Chiles (im Englischen „Southern Volcanic Zone“, SVZ) hat eine Länge von 1200 km und wird durch Subduktion der Nazcaplatte unter die Südamerikanische Platte angetrieben. An solch langen Subduktionszonen variiert meist die Magmenzusammensetzung entlang des vulkanischen Bogens (im Englischen „volcanic arc“). Diese Änderung der chemischen Zusammensetzung wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Der wichtigste Faktor ist die Zusammensetzung des Materials, welches in die Subduktionszone eingetragen wird. Das sind zum einen marine Sedimente, die variieren können in Abhängigkeit vom Klima, welches wiederum die terrestrische Erosion und demnach die Art und die Menge an abgelagertem Material beeinflusst. Zum anderen variiert die Zusammensetzung der abtauchenden ozeanischen Kruste in Abhängigkeit von dem Bereich am Mittelozeanischen Rücken (MOR), an dem sie gebildet wurde. Über die unterschiedliche chemische Zusammensetzung hinaus steigt mit zunehmendem Abstand vom Spreizungszentrum das Alter der ozeanischen Kruste, und damit sinkt ihre Oberflächentemperatur. Dies wirkt sich auf Prozesse der Stofffreisetzung in der Tiefe der Subduktionszone aus. Desweiteren spielen die tektonischen Gegebenheiten der abtauchenden Platte (im Englischen „slab“) eine entscheidende Rolle. Sind z. B. große Bruchzonen oder Störungen vorhanden, so kann Wasser tief in die untere ozeanische Kruste und den oberen Erdmantel eindringen, wodurch sich der Grad der Krustenalteration und möglicherweise auch der der Serpentinisierung des Endmantels erhöht. Ein weiterer Faktor ist die Subduktionszonengeometrie. Eine tiefer abtauchende Platte wird wärmer, könnte möglicherweise schmelzen und damit den Anteil an inkompatiblen, aber fluid-mobilen Spurenelementen in einer neu entstehenden Schmelze erhöhen. Bei der oberen Platte steigt mit zunehmender Krustenmächtigkeit das Potenzial, dass Krustenmaterial von der aufsteigenden Schmelze assimiliert wird und dass die Schmelze auf ihrem längeren Weg durch die Kruste eine stärkere fraktionierte Kristallisation durchläuft. Ziel dieser Dissertation ist es, anhand eines umfassenden Datensatzes (Haupt- und Spurenelemente und O-Sr-Nd-Hf-Pb-Isotopen) die Wirkung dieser Faktoren auf die geochemische Zusammensetzung junger basaltischer Gesteine der Vulkankette zu evaluieren. Dafür wurden meist Holozäne, Olivin enthaltenden Gesteine aus der Südchilenischen Vulkankette zwischen 33°S and 43°S analyisert. Die Ergebnisse werden mit Pleistozänen bis Holozänen Vulkangesteinen des Argentinischen Backarc-Bereiches bis zu einer Distanz von 300 km von der Vulkankette, mit marinen Sedimenten aus dem Tiefseegraben vor Chile und mit Proben vom Grundgebirge der Anden verglichen und in geologischen Zusammenhang gebracht. Die Proben des Vulkanbogens zeigen eine für Subduktionszonen typische Anreicherung an sehr inkompatiblen und fluid-mobilen Elementen und eine Verarmung in Elementen mit hohen Ionen-Wertigkeiten („High field strengh elements“, HFSE) und den schweren Seltenen Erden. Bei den Proben aus dem Backarc-Bereich ist diese Anreicherung und Verarmung generell geringer ausgeprägt, was im Einklang mit einem reduzierten Einfluss durch die abtauchende Platte und folglich mit einem niedrigeren Aufschmelzgrad steht. Die Proben aus dem Übergangsbereich der SVZ („Transitional Southern Volcanic Zone“, TSVZ), zwischen 34.5–38°S, überlappen mit den Backarc-Proben in der Sr und Nd Isotopenzusammensetzung, während die Proben der nördlichen SVZ (NSVZ), zwischen 33–34.5°S, höhere Sr und niedrigere Nd und Hf Isotopenverhältnisse zeigen. Die Proben der Stratovulkane im zentralen Bereich der SVZ (CSVZ), zwischen 38–43°S, sind leicht zu höheren Sr und/oder Nd Isotopenverhältnisse verschoben, während die kleineren monogenetischen Schlackekegel, die sich zwischen den Schichtvulkanen befinden, ähnlich der Proben der TSVZ sind. Alle Proben bilden eine enge Korrelation in den Pb-Isotopendiagrammen. Die Proben des „volcanic arc“ liegen am radiogenen Ende des durch die Backarc-Proben definierten Datenfeldes und überlappen weitgehend die marinen Sedimenten vom Tiefseegraben. Diese Korrelation deutet auf darauf hin, dass diese durch eine Mischung zwischen Südatlantischem mittelozeanischen Rückenbasalt (MORB), subduzierten Grabensedimenten und alterierter Ozeankruste enstanden sind. Basierend auf den Unterschieden im Verhältnis von hoch- zu gering inkompatiblen, fluid-immobilien Elementverhältnissen zwischen den Proben der Vulkankette, den Backarc-Proben und den Grabensedimenten läßt sich die Art der Slabkomponente charakterisieren. In diesem Fall handelt es sich bei der beteiligten Komponente der abtauchenden Platte nicht um eine reine Fluidphase, sondern um eine wässrige Schmelze. Die fehlende Korrelationen von MgO (oder SiO2) mit radiogenen Isotopenverhältnissen und die deutliche Korrelation der Pb-Isotopenverhältnisse schließen eine signifikante Assimilation der alten sialischen Kruste im Bereich der TSVZ und CSVZ aus. Hf-Nd Isotopenverhältnisse definieren jeweils eine eigene lineare Korrelation für den „volcanic arc“ und Backarc-Bereich, wobei keiner linear zu den subduzierten Sedimenten liegt, was möglicherweise die Beteiligung von asthenosphärischem Mantel für die Vulkankette und angereicherter proterozoischer Lithosphäre im Backarc-Bereich widerspiegelt. Zusätzlich zeigen einige Backarc-Proben eine angereicherte Komponente mit etwas höheren Sr aber niedrigeren Nd und Hf Isotopenverhältnissen und erhöhtem, delta 7/4 und delta 8/4 was auf die Beteiligung einer anderen angereicherten Mantelkomponente, möglicherweise subkontinentale Lithosphäre, hindeutet. Obwohl die kleinen monogenetischen Schlackekegel der CSVZ den Schichtvulkane der TSVZ geochemisch ähneln, haben die Schichtvulkane der CSVZ höhere fluid-mobil / fluid-immobil Elementverhältnisse und geringere höher / weniger-inkompatible fluid-immobile Elementverhältnisse, was im Einklang mit einem insgesamt höheren Fluidanteil und höherem Schmelzgrad im Bereich der CSVZ steht. Die höheren Hf-Nd Isotopenverhältnisse der Stratovulkane deuten darauf hin, dass die Mantelquelle unter der CSVZ stärker verarmt ist. Zusammen mit geomorphologischen und geophysikalischen Beobachtungen lassen die geochemischen Charakteristika darauf schließen, dass die abtauchende Platte unter der CSVZ erhöhte Mengen an Fluiden sowie die Signatur von Tiefseesedimenten in das System speist. Die Hydratisierung der abtauchenden Platte ist wahrscheinlich auf starke Interaktion mit Seewasser aufgrund der zahlreichen Bruchzonen und Störungen in diesem Bereich zurückzuführen, wodurch die Ozeankruste alteriert und möglicherweise auch der oberer Erdmantel serpentinisiert. Die δ18O-Werte der Schmelze, gemessen in der Grundmasse oder konvertiert von Olivine durch Hinzufügen von 0.6‰, befinden sich innerhalb der durch MORB definierten Bereiche. Proben aus der TSVZ, der monogenetischen Schlackekegel der CSVZ, und dem Backarc sind immer innerhalb der Ozeanbögen, weitestgehend überlappend mit dem MORB Bereich. Hingegen sind die CSVZ Stratovulkanproben unterhalb dieses Bereiches. Sie zeigen möglicherweise einen Einfluss von der hydratisierten Platte. Unerwarteterweise befinden sich die NSVZ Proben innerhalb des MORB Bereichs. Da sie weder mit Differenzierungsparametern wie zum Beispiel SiO2 oder MgO noch mit Isotopen korrelieren, kann eine Krustenassimilation asugeschlossen werden. Ein quantitatives Mischungsmodell einer gemischten Quelle (von einer Platte stammenden Schmelze und einem heterogenen Mantel unter dem Vulkanbogen) steht im Einklang mit den lokalen geodynamischen Parametern, vorausgesetzt, es bestehen wassergesättigte Bedingungen innerhalb der abtauchenden Platte. Dieses Modell zeigt, dass es zum Schmelzen der oberen Kilometer der Platte (einschließlich der Sedimente (SED) und der alterierten ozeanischen Kruste (AOC), sowohl im Bereich der TSVZ als auch im Bereich der CSVZ, kommt. Das SED:AOC Verhältnis der TSVZ (60:30) unterscheidet sich von dem der CSVZ (30:70), wobei die Menge der Schmelze, die durch die abtauchenden Platte entstanden ist und dem Mantelkeil himzugefügt wird, in der CSVZ höher ist als in der TSVZ. Dies ist im Einklang mit den beobachteten geochemischen Variationen. Die NSVZ Proben sind zu höheren Sr-Isotopenverhältnissen und delta 8/4, und niedrigeren 206Pb/204Pb und Nd Isotopenverhältnissen verschoben, haben aber ähnliche delta 7/4 wie andere „volcanic arc“-Proben. Dies ist nicht mit den bereits in der Literatur bestehenden Modellen der Krustenassimilation oder subduktionsinduzierter Erosion der alten sialischen oberen Kruste in Einklang zu bringen. Großräumig gibt es Nachweise, dass die Süd- und Nordamerikanischen Platten seit der Proterozoischen Zeit eine gemeinsame Geschichte haben (Ramos, 2010). Beispielweise könnte die untere Kruste von Arizona vergleichbar sein mit der unteren Kruste unter der NSVZ. Die untere Kruste von Arizona hat Sr, Nd und Pb-Isotopenverhältnisse, mit denen die geochemischen Variationen der NSVZ erklärt werden können. Somit könnte die untere Kruste der NSVZ derjenigen von Arizona sehr ähnlich sein. Ein weitereres mögliches Scenario schließt den Transport einer angereicherten Plumekomponente ein (EM-1, ähnlich der Zusammensetzung der Gough Ozeaninsel im Südatlantik). Diese Plumekomponente konnte dadurch in das System gelangen, dass sich die abtauchende Platte während des Miozäns abflachte und sich weiter nach Osten verschob. Mantelkonvektion im Südatlantik führte dann zu einem Materialfluss parallel zum Tiefseegraben, und in der Folge dazu, dass dieses Material in den Andinischen Vulkanismus eingetragen werden konnte. Zusammenfassend konnten mindestens drei Mantelkomponenten in der SVZ identifiziert werden: 1) verarmter südatlantischer mittelozeanischer Rückenbasalt (SAM-D), 2) angereicherter südatlantischer mittelozeanischer Rückenbasalt (SAM-E), beide ergeben sich aus dem Backarc-Datenfeld in den Sr- und Nd-Isotopenverhältnissen, 3) eine zusätzlich angereicherte Komponente in einigen CSVZ Backarc-Proben mit hohem 87Sr/86Sr, delta 7/4 und delta 8/4, was möglicherweise das Vorkommen von angereicherten Arealen in der Lithosphäre widerspiegelt. Darüber hinaus könnte durch Mantelfluss eine weitere Komponente unter die NSVZ gelangt sein, die aus angereichertem (OIB-Typ) astenosphärischen Mantel mit höheren 87Sr/86Sr und delta 8/4, niedrigeren 143Nd/144Nd und 206Pb/204Pb und ähnlichem delta 7/4 wie im Bereich der TSVZ besteht.


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