Crustal Structure of the Middle Mariana Arc-Back-Arc System : Island Arc Crust versus Continental Crust
Die kontinentale Kruste prägt unseren Planeten, doch ihre Entstehung ist bis heute umstritten. Intraozeanische Inselbögen gelten als Schlüsselbereich, da sie über Subduktionszonen neue Kruste erzeugen und basaltische ozeanische Lithosphäre in kontinentalähnliche Zusammensetzungen umwandeln. Die Dissertation untersucht diese Prozesse anhand aktiver seismischer Methoden, vor allem seismischer Tomographie und Vorwärtsmodellierung, angewendet auf Fallstudien im zentralen Marianen-Inselbogen–Back-Arc-System, auf die subduzierende Platte vor der Küste von Costa Rica sowie auf Fluidsysteme im nördlichen Schwarzen Meer. Die seismischen Daten zeigen, dass sich im Donaufächer des Schwarzen Meeres selbst hydratationsarme Randbecken detailliert bezüglich Fluidmigration und Hanginstabilität abbilden lassen. Im zentralen Marianenbecken führt die Entwicklung von symmetrischem Rifting zu asymmetrischer Spreizung, gesteuert durch Mantelheterogenität, fluide Einträge aus der subduzierenden Platte und die Dynamik von einer Doppelsubduktion. Im zentralen Marianenbogen weist die Tomographie auf eine ausgeprägte felsische Mittelkruste und eine graduelle Mantelübergangszone hin, was auf rasche magmatische Differentiation und Schmelzakkumulation schließt, die die Kruste in Richtung kontinentaler Zusammensetzungen entwickeln. Vor der Küste von Costa Rica zeigt sich, dass subduzierte Tiefseeberge und biegungsbedingte Verwerfungen die Hydration der Platte stark erhöhen und den Eintrag flüchtiger Stoffe in das Subduktionssystem intensivieren. Insgesamt belegt die Arbeit, dass kontinentale Kruste nicht durch einen einzelnen Prozess entsteht, sondern durch das Zusammenspiel von Hydration, Mantelheterogenität, Magmatismus und Back-Arc-Dynamik. Subduktionszonen formen, differenzieren und recyceln dabei die grundlegenden Bausteine der kontinentalen Kruste.
The continental crust shapes our planet, yet its origin remains debated. Intra-oceanic island arcs are considered key environments, as they generate new crust at subduction zones and transform basaltic oceanic lithosphere into more continental compositions. This dissertation investigates these processes using active seismic methods, primarily seismic tomography and forward modelling, applied to case studies in the central Mariana arc–back-arc system, the subducting plate offshore Costa Rica, and fluid systems in the northern Black Sea. The seismic data show that even low-hydration margin basins, such as the Danube Fan in the Black Sea, can be imaged in detail with respect to fluid migration and slope instability. In the central Mariana Basin, initially symmetric rifting evolves into asymmetric spreading, controlled by mantle heterogeneity, fluids released from the subducting plate, and the dynamics of double subduction. Within the central Mariana arc, tomography reveals a well-developed felsic middle crust and a gradual mantle transition zone, indicating rapid magmatic differentiation and melt accumulation that drive the crust toward continental compositions. Offshore Costa Rica, subducted seamounts and bending-related faulting substantially increase plate hydration and enhance the influx of volatiles into the subduction system. Overall, the dissertation demonstrates that continental crust does not form through a single mechanism but through the interplay of hydration, mantle heterogeneity, magmatism, and back-arc dynamics. Subduction zones thus create, modify, and recycle the fundamental building blocks of continental crust.
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