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Processes of magmatic and tectonic accretion of oceanic lithosphere at mid-ocean ridges
Constraints from a seismic refraction study at the Mid-Atlantic Ridge near 21.5° N

Zusammenfassung in Deutsch weiter unten.

Abstract

Mid-oceanic ridges are plate boundaries where new oceanic crust is created. Especially slow-spreading ridges, like the Mid-Atlantic Ridge (MAR), reveal a complex structure denoted by magmatic and tectonic processes. In the working area of this seismic refractions study both types of crustal accretion are present. The northern segment (22.2° N) compensates tectonically the tensional stresses caused by the plate tectonic movements of the African and the Northern American plates. So called detachment faults or oceanic core complexes (OCCs) develop during that tectonic phase. In the meantime the southern segment (21.5° N) is a magmatically robust segment. The peculiarity of this segment is that it growths south- and northwards along the ridge axis, starting at about 5 m.y. ago. Ridge propagation was strong enough to break through a stable small offset transform fault. During propagation the transform migrated southwards, leaving behind a V-shaped structure the so called inner and outer pseudofaults.

From five seismic refraction and wide-angle profiles, ridge-parallel and ridge-crossing, the seismic velocity structure was observed. The results show a strong crustal variation. The ridge-crossing profiles illustrate the temporal evolution of the crustal accretion within the magmatic robust segment. Past magmatic activities can be reconstructed.

The different morphological and geological features of the area required different inversion and modelling procedures. A broad variety of methods for interpretation of the collected geophysical data were applied to gain a subsurface image and to allow a geological reconstruction. First arrival seismic tomography, joint refraction and reflection tomography, and joint seismic and gravimetric tomography were used. Along the northern profile tomography for the near offset travel time arrivals was used, yielding the shallow part of the subsurface. Joint forward modelling of seismic travel times and gravimetric data made it possible to resolve the structure at greater depth.

The southern and hence magmatically dominated ridge segment shows crustal thickening along the ridge axis from 4 km at the segment ends to about 8 km in the segment centre whereas the crust in the northern basin thins more than beneath the southern ridge tip. Layer 2 is rather constant and the main thickening is taken by layer 3. The seismic velocities in the ridge tip tend to be lower, which could be caused by strong fracturing and partial alteration. In the seismic velocity models crustal thinning has been observed also with increasing distance to the spreading axis. The latter suggests intensified magmatic activity with focussed melt supply in the segment centre leading to an upwelling of the seafloor and an hourglass shaped bathymetry with a small axial valley at the segment centre that widens towards its ends. Melts are transported laterally at crustal levels towards the segment ends, preferable towards the southern ridge tip, while the larger part remains at the segment centre.

The northern segment has a much larger variation of the crustal thickness across the ridge axis. Tectonically dominated crust thins extremely to approximately 40% of average oceanic crust at the western ridge flank near 22°19′. Partly the upper crust is completely missing and high seismic velocities of 7 km/s are reached already a few hundred metres below the seafloor. The asymmetric crustal accretion is also reflected in the seismic velocities that reach a level of normal oceanic young crust on the eastern ridge crest.

This long lived detachment fault shifted the plate boundary towards the west. However, it does not expose mantle material in its central surface. This can be caused at least by two factors: 1) during the tectonic phase the area is magmatically starved but still magmatic accretion occurs. 2) The detachment fault is a steep normal fault, marked by higher seismicity, near the ridge axis and is rotated based on the “rolling-hinge” model to a shallow low-angle fault caused by the slip and the tensional stresses. If the fault is rotated from an optimum angle a new fault will be generated and this fault block (rider or rafted block) stays on the surface of the detachment fault. A petrologic survey detected serpentinised mantle at the steep southern wall of the core complex facing towards the southern segment end. This suggests a three-dimensional structure of the core complex with a detachment fault rooted in an intrusive zone in the mid-segment setting, exposing gabbroic rocks, and a detachment fault rooted near crust-mantle boundary zone towards the segment end unroofing mantle rocks. The uplift of the massif can not be only explained by flexural rotation caused by the tension of the plate tectonic processes. There has to be an additional force. This could be a result of lower dense serpentinised mantle. The density difference will be compensated by an uplift to reach the isostatic equilibrium.

 

Zusammenfassung

Mittelozeanische Rücken sind Plattengrenzen an denen neue Kruste gebildet wird. Insbesondere langsam spreizende Rücken, wie der Mittelatlantische Rücken, zeigen eine komplexe Struktur und sind durch magmatische und tektonische Prozesse gekennzeichnet. Im Arbeitsgebiet dieser refraktionsseismischen Studie sind beide Formen der Krustenneubildung präsent. Während das nördliche Segment (22.2° N) die durch die Plattentektonik entstehende Dehnungsbeanspruchung hauptsächlich tektonisch kompensiert, in der englischsprachigen Fachliteratur als detachment fault (Trennungsbruch) oder core complex bezeichnet, ist das südlichere Segment bei 21.5° N ein magmatisch sehr aktives Segment. Die Besonderheit dieses Segmentes liegt auch darin, dass es mit seiner Entstehung, vor etwa 5 Mio. Jahren, nach Süden und Norden wächst. Es hatte die Kraft, ein bis dahin scheinbar stabiles System einer Transformstörung zu durchbrechen. Im Verlauf der Fortpflanzung des Segmentes hat sich eine charakteristische V-förmige Struktur des Ozeanbodens herausgebildet.

Aus fünf refraktionsseismischen Profilen, entlang und quer zur Rückenachse, konnten seismische Geschwindigkeitsmodelle bestimmt werden, die eine starke Variation  der Krustenmächtigkeit zeigen. Quer zum Spreizungszentrum verlaufende Profile stellen dabei vor allem den zeitlichen Verlauf der Krustenneubildung dar. Veränderungen der Krustenmächtigkeit im südlichen Segment geben so Aufschluss über dessen magmatische Aktivität in der Vergangenheit.

Um die gesammelten geophysikalischen Daten auszuwerten und zu einer Abbildung des Untergrundes zu führen, die eine geologische Interpretation zulässt, wurden in dieser Arbeit verschiedene Methoden angewandt. Tomographie der Ersteinsätze, eine gemeinsame Tomographie aus Ersteinsätzen und Reflektionen, sowie eine gemeinsame Tomographie aus seismischen Einsätzen und gravimetrischen Messungen wurden angewendet. Die unterschiedlichen morphologischen und geologischen Begebenheiten erforderten diese große Bandbreite der Auswertung. Entlang des nördlichen Profils konnte ein strukturgeologisches Modell unter Verwendung einer Ersteinsatztomographie der Nahbereichseinsätze, geringe Eindringtiefe der Wellen in den Untergrund, und einer parallelen Vorwärtsmodellierung aus seismischen und gravimetrischen Daten des größeren Tiefenbereichs entwickelt werden.

Im südlichen Rückensegment ist eine Verdickung der Kruste entlang der Rückenachse von etwa 4 km an den Segmentenden auf ca. 8 km im zentralen Bereich zu beobachten, wobei die Kruste im nördlichen Becken stärker ausdünnt als im Süden und ausschließlich die untere Kruste davon betroffen ist. Das südliche Segmentende, die Spitze des propagierenden Rückensegmentes, zeigt eine deutliche Verringerung der seismischen Geschwindigkeiten, was auf eine Schwächezone mit starker Zerklüftung und teilweiser methamorpher Veränderung der Kruste hinweist, Alteration. Hier ist die Ursache für den südlichen Versatz der Transformstörung zu suchen. Eine Verringerung der Krustenmächtigkeit, nicht nur zu den Segmentenden, ist aus den tomographischen Geschwindigkeitsmodellen ersichtlich, sondern auch mit zunehmendem Abstand zur Spreizungsachse. Das lässt auf eine Zunahme der magmatischen Aktivität mit fokussiertem Mantelaufstieg im Segmentzentrum schließen, die zu einer Aufwölbung des Meeresbodens führte und auch in der eieruhrförmigen Struktur des Achsentales ausgeprägt ist. Magma wird im Segmentzentrum in die Kruste injiziert und in Richtung der Segmentenden transportiert, vorwiegend in Richtung des südlichen Endes. Der Hauptanteil verbleibt jedoch im Segmentzentrum und führt zur beobachteten Krustenverdickung.

Das nördliche Segment zeigt eine noch stärkere Variation der Krustenmächtigkeit quer zur Rückenachse. Vor allem im Bereich der westlichen Rückenflanke dünnt die Kruste um 40%, im Vergleich zu durchschnittlicher Krustenmächtigkeit entlang des Atlantischen Rückens, aus. Hierbei ist die Oberkruste teilweise komplett verloren gegangen und hohe seismische Geschwindigkeiten von 7 km/s werden bereits wenige hundert Meter unter dem Meeresboden erreicht. Eine asymmetrische Krustenbildung spiegelt sich darin wieder dass auf der östlichen Seite der Plattengrenze seismische Geschwindigkeiten “normaler” junger ozeanischer Kruste erreicht werden. Der Trennungsbruch (detachment fault), die Plattengrenze, ist sehr langlebig, dennoch wurde bisher kein anstehendes Mantelgestein direkt auf solchen Brüchen gefunden. Das hat zwei Gründe: 1) Der tektonische Prozess ist von zwar verringerter aber steter magmatischer Krustenbildung begleitet. 2) Die Bildung dieses an der Oberfläche flach erscheinenden Bruchs basiert auf einem “rolling-hinge” (Scharniergelenk) Model. Hierbei kommt es durch die Dehnungskräfte zu normalem Bruchverhalten der das Achsental begrenzenden Brüche, die sich auch in der seismologischen Registrierung bemerkbar machen. Durch die Spreizungskräfte kommt es zu Gleitvorgängen im Übergangsbereich von sprödem und dehnbaren Krustenmaterial  und einer Rotation der Bruchblöcke. Durch Überschreiten eines optimalen Bruchwinkels wird eine neue Bruchfläche generiert. Die so entstandenen rotierten Bruchblöcke werden auf dem langlebigen großen Trennungsbruch mitgezogen aber auch erodiert. Die Hebung des ganzen Gebietes kann jedoch nicht allein durch die entstehenden Biegungskräfte erklärt werden. Hier ist ein zusätzlicher Prozess notwendig. Aus dem seismischen Geschwindigkeitsmodell wird erkennbar, dass der Mantel unter der Rückenachse und dem Berg langsamere Bereiche aufweist. Dies könnte auf eine teilweise Serpentinisierung hindeuten die eine Verringerung der Dichte mit sich führt. Der Dichteunterschied wird durch die Hebung kompensiert um das isostatische Gleichgewicht wieder herzustellen. Ein Tauchgang entlang der sehr steilen Südflanke des Massivs brachte serpentinisierten Mantel hervor. Dies lässt auf eine drei-dimensionale Struktur des gesamten Berges schließen. Es wird angenommen, dass der Bruch im Segmentzentrum in einem intrusiven magmenreichen Gebiet endet, und damit vorwiegend Gabbro an die Oberfläche zieht, währen zum Segmentende hin die Kruste ausdünnt, da nicht genug Magma generiert werden kann. Damit liegt das untere Ende des Bruches nahe der Krusten-Mantel Grenze und der Transport von Mantelgestein bis an die Oberfläche wird ermöglicht.