Deformationsmechanismen in einer erosiven Plattengrenze

Das Costa Rica Seismogenesis Project (CRISP) wurde entwickelt, um die Prozesse, welche die Auslösung und Seismizität großer Erdbeben im Bereich von erosiven Plattengrenzen besser zu verstehen. CRISP liegt an der einzigen bekannten seismogenen Zone an einer erosiven Plattengrenze, die für wissenschaftliche Bohrungen erreichbar ist. Diese erosive Plattengrenze ist durch geringe Sedimentzufuhr, hohe Konvergenzrate, häufige Seismizität, tektonische Erosion, und einem Wechsel des Reliefs entlang des Streichens charakterisiert. CRISP bietet daher eine ausgezeichnete Möglichkeit, um die Auslösung von Erdbeben, die Entwicklung von Bruchzonen, und die Mechanismen der Deformation in den oberen Bereichen dieser konvergierenden Plattengrenze zu verstehen. Im Rahmen dieses Projektes sollen mehrere Hypothesen bezüglich des Überganges von seismischem zu aseismischem Verhalten entlang erosiver Plattengrenzen getestet werden, die sich hauptsächlich auf die Aktivität von Fluiden innerhalb der Subduktionszone beziehen: 1) Die Architektur der Hauptüberschiebung innerhalb der Subduktionszone verändert sich entlang der Plattengrenze mit der Tiefe. Der Übergang von stabilem zu instabilem Gleiten liegt im Bereich des Überganges von einer fluidgesättigten breiten Störungszone zu einer geringer mächtigen, trockenen Bewegungsbahn. Geologische, physikalische und strukturelle Eigenschaften des Materials innerhalb des Subduktionskanals beeinflussen die Deformationsmechanismen innerhalb der Störungszone und den Übergang von stabilem zu instabilem Gleiten. 2) Die Advektion von Fluiden beeinflusst die Lokalisierung der Störungsaktivität, und die Blockade im Bereich der erosiven Plattengrenze. Die chemische Zusammensetzung der Fluide, die Druck- und Temperaturbedingungen und die Verweilzeit beeinflussen den Zustand des tektonisch erodierten Materials durch Alteration des Oberplattenmaterials, sowie durch Diagenese und niedriggradige Metamorphose. Variationen in den aterial- und Fluideigenschaften und deren Verteilung innerhalb des Subduktionskanals wirken sich auf die Weiterentwicklung der Bruchzonen aus. Im Rahmen dieses Projektes sollen die Rahmenbedingungen bezüglich Gesteinseigenschaften und Fluidzirkulation genauer definiert werden, welche die Deformationsmechanismen in seismogenen und nicht seismogenen innerhalb der Subduktionszone in den während der IODP Expedition 344 Bohrprofilen kontrollieren.

Um die kontrollierenden Prozesse der Bildung und des Auslösens von Erdbeben an erosiven Plattengrenzen besser zu verstehen, wurde das Costa Rica Seismogenesis Project (CRISP) initiiert. Das Gebiet vor der Küste von Costa Rica ist gekennzeichnet durch eine erosive Plattengrenze, geringer Sedimentanlieferung und häufiger seismischer Aktivität entlang der Plattengrenzen. Durch zwei IODP (Integrated Ocean Drilling Program) Expeditionen 334 und 344 konnten bereits erfolgreich Gesteinsproben gewonnen werden. Im Zuge dieser Arbeit wurden Gesteinsproben vom Bohrloch 344-U1414A, an der nördlichen Flanke des Cocos Rückens gelegen, mit strukturgeologischen, petrologischen und geochemischen Methoden untersucht. Das Ziel war, ein besseres Verständnis von der Beschaffenheit der Sedimente und der vulkanischen Basementgesteine der oberen ozeanischen Kruste an der erosiven Plattengrenze zwischen Cocos- und Karibischer Platte zu bekommen, wie auch die Wechselwirkungen zwischen Fluiden und Festgestein verbunden mit der tektonischen Entwicklung der Cocos Platte einschätzen zu können. Dies betrifft eine der grundlegenden Zielsetzungen von CRISP. Die mikrothermometrischen Analysen von Flüssigkeitseinschlüssen in Karbonat- und Quarzadern, die Zusammensetzung von Sauerstoffisotopen und das Verhältnis der Strontiumisotope von Karbonatadern, deuten auf Meerwasser als Fluidquelle, welches zu einem späteren Zeitpunkt erhitzt und in ein hydrothermales Fluid verändert wurde. Die Untersuchungen von Schmelzeinschlüssen deuten darauf hin, dass der alterierte Basalt ein CO2-reiches Fluid zur Verfügung stellte. Die Kohlenstoffisotopenzusammensetzungen der Adern sind der Zusammensetzung von Meerwasser ähnlich (0 ) oder etwas geringer (-3 ). Die Sauerstoffisotopenzusammensetzung deutet auf erhöhte Bildungstemperaturen hin (>30C), besonders in Karbonatadern in den Sedimentgesteinen (70 92 C). Die elementare Zusammensetzung, vor allem die Seltenen Erden wie auch das Mg/Ca Verhältnis der Karbonatadern, unterscheidet sich abhängig vom Umgebungsgestein. Dies ist hauptsächlich auf Fluid-Gesteins-Wechselwirkung zurückzuführen. Das 87Sr/86Sr-Verhätnis offenbart eine unterschiedliche Fluidquelle für die Adern innerhalb des Basalts, wohingegen das Verhältnis in den Adern im Sedimentgestein kohärent ist, aber primitiver. Analysen von Mikrostrukturen und Calcit-Piezometer an hydrothermalen Adern zeigten, dass eine Variation von Deformationsmechanismen die Gesteine von Bohrloch 344-U1414A beeinflussten. Die Bildung von Adern, Mikrobrüchen in Einsprenglingen und Crack-Seal Gefüge sind das Resultat von spröder Deformation, zurückzuführen auf thermische Kontraktion, hydraulische Rissbildung und seismische Aktivität. Die Erhöhung der auf die Biegung der Platte bezogene Intraplatten-Differentialspannung verursachte kristall-plastische Deformation in Form von Calcit-Zwillingen und Subkornbildung. Die Bildung von Adern im magmatischen Basement und die Verfestigung des darüber liegenden Sediments sind das Resultat der Wechselwirkung zwischen dem Meerwasser und dem Cocos Rücken Basalt unter niederen Temperaturen abseits des Spreizungszentrums. Intraplatten-Magmatismus führte zur Aufheizung des Fluides und zur Bildung von Adern im Sedimentgestein und der Ausfällung von Quarzadern im Basalt.