Deformation und Fluid-Zirkulation in Suprasubduktionszonen-Ophiolithen

Im Zuge der International Ocean Discovery Program Expedition 352 wurde mittels Kernbohrungen ein stratigraphisches Profil des äußeren Fore-Arc Beckens des Izu-Bonin-Marianen Systems erstellt. Die detaillierte Beprobung dient dazu, neue Erkenntnisse über magmatische und tektonische Prozesse, sowie die Krustenakkretion im Zusammenhang mit dem Beginn einer Subduktion zu bekommen. Die Zielsetzung des Projekts ist es ein neues Modell zur Entstehung des am häufigsten auftretenden Ophiolithtyps (Supra-Subduction zone ophiolite) zu testen, sowie den Ursprung dieses Typs zu klären. Frühere Studien führten zu einer stratigraphischen Gliederung der Ophiolithe bei welchen Peridotite, Gabbros und sheeted dykes von Fore-Arc Basalten (FAB) und darüber liegenden Boniniten überlagert werden. Die Expedition lieferte (1) eine detaillierte Beschreibung der magmatischen Entwicklung während dem Beginn der Subduktion; (2) das Überprüfen der Hypothese dass FAB Tholeiite von Boniniten überlagert werden; (3) eine Aufzeichnung der chemischen Gradienten innerhalb dieser Einheiten und ihrer Übergangszonen; (4) Informationen darüber wie sich Schmelzprozesse während dem Beginn der Subduktion, von anfänglicher Dekompressionsschmelze fertiler Asthenosphäre bis zu späterem flux melting verarmter Mantelanteile, entwickeln, um Rahmenbedingungen für realistische geodynamische Modellierungen zu erhalten; und (5) das Überprüfen der Hypothese dass Fore-Arc Lithosphäre, die während dem Beginn der Subduktion entsteht, verantwortlich für die Entstehung von Supra-Subduction Zone Ophiolithen ist. Zwei wichtige Hypothesen, die durch die Bohrungen getestet werden, sind (1) dass durch den Beginn der Subduktion eine konsistente vulkanische Stratigraphie erzeugt wird; (2) dass diese Sequenzen vor der Erosion vertikal gelagert waren und daher ein in-situ Analog für Sektionen von den meisten Supra-Subduction Zone Ophiolithen bilden.

Während der International Ocean Discovery Program (IODP) Expedition 352 wurde ein Abschnitt durch die vulkanische Stratigraphie des äußeren Forearcs des Izu-Bonin-Mariana (IBM) -Systems gebohrt, um die mit beginnender Subduktion verbundenen Prozesse von Magmatismus, Tektonik und Krustenakkretion zu rekonstruieren. Tektonische Strukturen in den Bohrkernen resultieren hauptsächlich aus spröder Deformation und umfassen Störungen mit unterschiedlicher Kinematik, kataklastische Störungszonen sowie Dehnungsbrüche und mineralisierte Adern, die hauptsächlich aus hydrothermalen Fluiden stammen. Folgenden Ziele wurden verfolgt: Die Studienergebnisse zeigen im Allgemeinen die Entwicklung des IBM Forearc-Systems von seiner Entstehung bis zu seiner anschließenden tektonischen Entwicklung mit Auswirkungen auf das hydrologische System, die Wechselwirkung zwischen Fluiden und der ozeanischen Lithosphäre und die tektonische Entwicklung in Supra-Subduktionszonen. Dies wurde im Troodos-Ophiolith (Zypern) getestet, um die Hypothese zu bestätigen, dass dieser Ophiolith ein fossiles SSZ-Analogon darstellt. Forearc-Basalte (FAB) sind die ersten Produkte nach Subduktionsbeginn und bilden sich im Vergleich zu normalen Mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) durch höheren Aufschmelzungsgrad der aufsteigenden Asthenosphäre. Dem folgte die Effusion von Boninit-Laven. Die Quelle für letztere war eine die Zufuhr von Fluiden, die das teilweise Schmelzen der subduzierten ozeanischen Kruste unter amphibolitfaziellen Metamorphosebdingungen bewirkten. Veröffentlichte magmatische Alter von den IBM- Vulkaniten, Isotopendaten und die biostratigraphischen Alter aus den darüberliegenden Sedimenten zeigen einen Hiatus von ~ 15 Ma zwischen der sich schnell bildenden, rinnennahen ozeanischen Kruste nach Subduktionsbeginn um 52 Ma und der anschließenden tektonischen Extension des Forearcs. Diese Zeitlücke von 15 Ma kann durch das fortlaufende Zurückrollen der Pazifischen Platte erklärt werden, welche die Extension der Oberplatte auslöste. Der IBM Forearc wurde im Bereich der Boninite um ~ 16 - 19%, und im Bereich der Forearc Basalte um bis zu 55% gedehnt, bei Extensionsraten im Bereich von 10-16s-1 bis 10-15s-1. Blockige mineralisierte Adern mit Nebengesteinsfragmenten dominieren in allen untersuchten Bereichen und deuten auf hydraulische Bruchbildung und advektiven Fluidzufluss hin. Tracer wie Seltene Erdelemente und Isotopensysteme (18O, 13C, 87Sr / 86Sr, 47) weisen auf unterschiedliche Zusammensetzungen der Fluide hin, und reichen von reinem bis zu modifiziertem Meerwasser. Die reinsten Meerwassersignaturen finden sich in Kalzitadern innerhalb der Forearc Basalte. Die Ausfällungstempearturen des Kalzites liegen im Bereich von unter 30 C. Ihre 87Sr / 86Sr-Verhältnisse schneiden die 87Sr / 86Sr-Meerwasserkurve bei ~ 35-33 Ma und ~ 22 Ma, was auf das Alter der Bildung der Adern und der Kalzitausfällung hinweist. Aus Meerwasser ausgefällte Kalzite in Adern in den Boniniten deuten an, dass das Meerwasser durch Wechselwirkungen zwischen Fluid und Nebengestein modifiziert wurde. Die gesamte IBM Forearc-Architektur und -Entwicklung, die aus dieser Studie abgeleitet wurde, kann als Referenz dienen, insbesondere im Hinblick auf die postmagmatische tektonische Entwicklung und die damit verbundene Bildung von Sedimentbecken, und hilft somit bei der Identifizierung und Interpretation Ophiolithen mit SSZ-Bezug weltweit.