Vulkanismus nahe N.Amerika-Eurasia Kontinentalplatten

Im beantragten Projekt beabsichtigen wir, spät-Neogene Vulkanprovinzen in Nord-Ost Russland gezielt petrologisch, geochemisch sowie geochronologisch zu untersuchen. Die zwei Annahmen bezüglich Genese und Magmenbildung der Vulkanite, einerseits durch "rifting"-gesteuerte Dekompression des lithosphärischen Erdmantels und andererseits durch Subduktion der paläopazifischen Platte unter den Tertiären Kontinentalrand Ost- Russlands, sollen dabei in Frage gestellt und beurteilt werden. Weiters bestreben wir, die Intensität, das Volumen und die Zyklizität der Känozoischen Vulkanaktivität dieser Region zu quantifizieren. Das Projekt wird unter Kooperation mit Dr. V. Akinin (NE Interdisciplinary Scientific Research Institute; Russische Akademie der Wissenschaften, Magadan) durchgeführt werden. Um den Aufschmelzgrad der vorliegenden Magmen zu modellieren und die Geochemie der Magmenquelle charakterisieren zu können, ist es essentiell, Haupt- und Spurenelementgehalte der Vulkanite zu analysieren. Dies ermöglicht es in weiterer Folge, die Entstehungsprozesse der zahlreichen Eruptionen verstehen zu können. Dabei sollen nicht nur standardisierte Elementverteilungsmodelle, die auf Gleichgewichts-Schmelzprozessen basieren, sondern auch dynamische Schmelzmodelle, die für Schmelzprozesse im Oberen Erdmantel weit repräsentativer sind, zu Hilfe genommen werden. Um die zeitliche Einstufung der vulkanischen Aktivitäten zu verfeinern und ein chronologisches Gerüst für die Isotopenuntersuchungen zu schaffen, wollen wir 40Ar/ 39Ar sowie 14C Datierungen durchführen. Nd-, Sr-, Pb- und Hf-Isotopen sollen bestimmt werden, um die Magmenquelle, bzw. geochemische Prozesse in dieser genau charakterisieren zu können. Die vulkanischen Gesteine, die vor Ort beprobt werden können, erfüllen alle Voraussetzungen, um die Eruptionsgeschichte dieser Region bestens erforschen zu können: Sie sind nicht nur häufig und frisch, sondern werden teilweise auch durch undifferenzierte, Mantelxenolith- führende Basalte repräsentiert, die keinerlei Fraktionierungsprozesse in Magmenkammern erfuhren. Bedenken über die Entwicklung der radiogenen Isotopenverhältnisse und deren Zerfall nach Platznahme der voluminösen Vulkanite, können durch die Untersuchung der jüngsten Eruptionsprodukte ausgeräumt werden. Prozesse, die im lithosphärischen Erdmantel des Untersuchungsgebietes stattfinden, den Verarmungsgrad des oberen Erdmantels an basaltischen Komponenten, das Wirken möglicher ablaufenden metasomatischen Prozesse, das Alter der Lithosphäre sowie deren Interaktion mit der darüber-liegenden Kruste werden durch genaue Charakterisierung der in Alkalibasalten mitgeführten Erdmantelxenolithe bewerkstelligt. Die Wechselwirkung von metasomatischen Schmelzen/Fluiden und dem lithosphärischen Mantel müssen dabei besonders genau untersucht werden, da sie die Zusammensetzung der generierten Magmen wesentlich beeinflussen. Die Untersuchung der aufgeschlossenen Vulkanite in Kombination mit den vorzufindenden Erdmantelxenolithen ist für das umfassende Verständnis der tektonischen Entwicklung dieses äußerst komplexen Kollisionspunktes von nordamerikanischer, eurasischer und pazifischer Kontinental- bzw. Ozeanplatte unerlässlich und bietet weiters einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung einer Gegend, die auch bezüglich Klimawandel und Interaktion von Lithosphäre und Atmosphäre von großer Bedeutung ist.

Alkalibasalte (Laven arm an Silizium und reich an Natrium) in NO-Russland sind Basanite und Nephelinite, die Erdmantel-Xenolithe führen. Beide Laven sind in der Asthenosphäre entstanden, die den weniger rigiden und tieferen Teil des Erdmantels darstellt. Der obere und rigide Teil des Erdmantels ist die Lithosphäre. Nephelinite wurden in Tiefen von mehr als 110 Km bei geringen Schmelzraten von Asthenosphäre gebildet und Basanite in Tiefen von ca. 110 Km bei höheren Schmelzraten von Asthenosphäre. Die berechnete Temperatur während der Entstehung von Schmelzen war hoch (~1500C), allerdings nicht so hoch, dass es konvektivem Aufsteigen von heißem Material (Plume) zugeordnet werden kann, was die Umgebungstemperatur des oberen Erdmantels erhöht und so zu Aufschmelzung führt. Der Grund für die Entstehung von Schmelzen unterhalb NO-Russlands ist Dekompression als Folge einer Ausdünnung der Lithosphäre. Die Ausdünnung der Lithosphäre ist ein gängiger Prozess, der stattfindet, wenn Ränder zweier tektonischer Platten kollidieren oder sich voneinander entfernen. Bei einer Kollision einer ozeanischen mit einer kontinentalen Platte taucht die kältere und dichtere ozeanische Platte unterhalb die kontinentale Platte, was an der Kollisionsfront zu extensivem Vulkanismus führt, wie z.B. in den Anden. Als Folge dieses Prozesses wird die kontinentale Lithosphäre ausgedünnt, was zu partiellem Aufschmelzen im oberen Erdmantel führt.Auf dem Weg nach oben können diese basaltischen Laven rasch in wenigen Tagen ungeschmolzene Fragmente (Xenolithe) der Lithosphäre (der rigideste und oberste Teil des oberen Erdmantels) an die Erdoberfläche befördern. Solche Fragmente liefern detaillierte Informationen über die Beschaffenheit des lithosphärischen Erdmantels zum Zeitpunkt, an dem diese mitgerissen und an die Erdoberfläche befördert wurden. Detaillierte Untersuchungen solcher Fragmente (Xenolithe) aus NO-Russland zeigen Umgebungstemperaturen der Fragmente zwischen 900 und 1000C in Tiefen von ca. 60 Km. Diese Fragmente sind teilweise gekennzeichnet von der Existenz von einzigartigen Schmelztropfen reich an koexistierenden Karbonat- und Natrium-reichen silikatischen Schmelzen. Solche Schmelzen können nach Eindringen in den Xenolith nur koexistieren, wenn dieser sehr rasch an die Oberfläche transportiert wird. Solche Schmelztropfen sind sehr selten und beweisen die Existenz und Perkolation von Kohlenstoff in der Lithosphäre.