{"id":91,"date":"2014-08-03T18:35:56","date_gmt":"2014-08-03T17:35:56","guid":{"rendered":"http:\/\/2014.hillclimb.de\/?page_id=91"},"modified":"2019-07-17T20:21:15","modified_gmt":"2019-07-17T18:21:15","slug":"diss","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.hillclimb.de\/?page_id=91","title":{"rendered":"Dissertation"},"content":{"rendered":"
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Processes of magmatic and tectonic accretion of oceanic lithosphere at mid-ocean ridges<\/strong><\/span>
\nConstraints from a seismic refraction study at the Mid-Atlantic Ridge near 21.5\u00b0 N<\/strong><\/span><\/h4>\n

Zusammenfassung in Deutsch weiter unten.<\/a><\/p>\n

Abstract<\/strong><\/p>\n

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\u00b0 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\u00b0 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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

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\u00b019′. 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.<\/p>\n

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.<\/p>\n

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Zusammenfassung<\/strong><\/p>\n

Mittelozeanische R\u00fccken sind Plattengrenzen an denen neue Kruste gebildet wird. Insbesondere langsam spreizende R\u00fccken, wie der Mittelatlantische R\u00fccken, zeigen eine komplexe Struktur und sind durch magmatische und tektonische Prozesse gekennzeichnet. Im Arbeitsgebiet dieser refraktionsseismischen Studie sind beide Formen der Krustenneubildung pr\u00e4sent. W\u00e4hrend das n\u00f6rdliche Segment (22.2\u00b0 N) die durch die Plattentektonik entstehende Dehnungsbeanspruchung haupts\u00e4chlich tektonisch kompensiert, in der englischsprachigen Fachliteratur als detachment fault (Trennungsbruch) oder core complex bezeichnet, ist das s\u00fcdlichere Segment bei 21.5\u00b0 N ein magmatisch sehr aktives Segment. Die Besonderheit dieses Segmentes liegt auch darin, dass es mit seiner Entstehung, vor etwa 5 Mio. Jahren, nach S\u00fcden und Norden w\u00e4chst. Es hatte die Kraft, ein bis dahin scheinbar stabiles System einer Transformst\u00f6rung zu durchbrechen. Im Verlauf der Fortpflanzung des Segmentes hat sich eine charakteristische V-f\u00f6rmige Struktur des Ozeanbodens herausgebildet.<\/p>\n

Aus f\u00fcnf refraktionsseismischen Profilen, entlang und quer zur R\u00fcckenachse, konnten seismische Geschwindigkeitsmodelle bestimmt werden, die eine starke Variation  der Krustenm\u00e4chtigkeit zeigen. Quer zum Spreizungszentrum verlaufende Profile stellen dabei vor allem den zeitlichen Verlauf der Krustenneubildung dar. Ver\u00e4nderungen der Krustenm\u00e4chtigkeit im s\u00fcdlichen Segment geben so Aufschluss \u00fcber dessen magmatische Aktivit\u00e4t in der Vergangenheit.<\/p>\n

Um die gesammelten geophysikalischen Daten auszuwerten und zu einer Abbildung des Untergrundes zu f\u00fchren, die eine geologische Interpretation zul\u00e4sst, wurden in dieser Arbeit verschiedene Methoden angewandt. Tomographie der Ersteins\u00e4tze, eine gemeinsame Tomographie aus Ersteins\u00e4tzen und Reflektionen, sowie eine gemeinsame Tomographie aus seismischen Eins\u00e4tzen und gravimetrischen Messungen wurden angewendet. Die unterschiedlichen morphologischen und geologischen Begebenheiten erforderten diese gro\u00dfe Bandbreite der Auswertung. Entlang des n\u00f6rdlichen Profils konnte ein strukturgeologisches Modell unter Verwendung einer Ersteinsatztomographie der Nahbereichseins\u00e4tze, geringe Eindringtiefe der Wellen in den Untergrund, und einer parallelen Vorw\u00e4rtsmodellierung aus seismischen und gravimetrischen Daten des gr\u00f6\u00dferen Tiefenbereichs entwickelt werden.<\/p>\n

Im s\u00fcdlichen R\u00fcckensegment ist eine Verdickung der Kruste entlang der R\u00fcckenachse von etwa 4 km an den Segmentenden auf ca. 8 km im zentralen Bereich zu beobachten, wobei die Kruste im n\u00f6rdlichen Becken st\u00e4rker ausd\u00fcnnt als im S\u00fcden und ausschlie\u00dflich die untere Kruste davon betroffen ist. Das s\u00fcdliche Segmentende, die Spitze des propagierenden R\u00fcckensegmentes, zeigt eine deutliche Verringerung der seismischen Geschwindigkeiten, was auf eine Schw\u00e4chezone mit starker Zerkl\u00fcftung und teilweiser methamorpher Ver\u00e4nderung der Kruste hinweist, Alteration. Hier ist die Ursache f\u00fcr den s\u00fcdlichen Versatz der Transformst\u00f6rung zu suchen. Eine Verringerung der Krustenm\u00e4chtigkeit, nicht nur zu den Segmentenden, ist aus den tomographischen Geschwindigkeitsmodellen ersichtlich, sondern auch mit zunehmendem Abstand zur Spreizungsachse. Das l\u00e4sst auf eine Zunahme der magmatischen Aktivit\u00e4t mit fokussiertem Mantelaufstieg im Segmentzentrum schlie\u00dfen, die zu einer Aufw\u00f6lbung des Meeresbodens f\u00fchrte und auch in der eieruhrf\u00f6rmigen Struktur des Achsentales ausgepr\u00e4gt ist. Magma wird im Segmentzentrum in die Kruste injiziert und in Richtung der Segmentenden transportiert, vorwiegend in Richtung des s\u00fcdlichen Endes. Der Hauptanteil verbleibt jedoch im Segmentzentrum und f\u00fchrt zur beobachteten Krustenverdickung.<\/p>\n

Das n\u00f6rdliche Segment zeigt eine noch st\u00e4rkere Variation der Krustenm\u00e4chtigkeit quer zur R\u00fcckenachse. Vor allem im Bereich der westlichen R\u00fcckenflanke d\u00fcnnt die Kruste um 40%, im Vergleich zu durchschnittlicher Krustenm\u00e4chtigkeit entlang des Atlantischen R\u00fcckens, 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 \u00f6stlichen 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 Br\u00fcchen gefunden. Das hat zwei Gr\u00fcnde: 1) Der tektonische Prozess ist von zwar verringerter aber steter magmatischer Krustenbildung begleitet. 2) Die Bildung dieses an der Oberfl\u00e4che flach erscheinenden Bruchs basiert auf einem „rolling-hinge“ (Scharniergelenk) Model. Hierbei kommt es durch die Dehnungskr\u00e4fte zu normalem Bruchverhalten der das Achsental begrenzenden Br\u00fcche, die sich auch in der seismologischen Registrierung bemerkbar machen. Durch die Spreizungskr\u00e4fte kommt es zu Gleitvorg\u00e4ngen im \u00dcbergangsbereich von spr\u00f6dem und dehnbaren Krustenmaterial  und einer Rotation der Bruchbl\u00f6cke. Durch \u00dcberschreiten eines optimalen Bruchwinkels wird eine neue Bruchfl\u00e4che generiert. Die so entstandenen rotierten Bruchbl\u00f6cke werden auf dem langlebigen gro\u00dfen Trennungsbruch mitgezogen aber auch erodiert. Die Hebung des ganzen Gebietes kann jedoch nicht allein durch die entstehenden Biegungskr\u00e4fte erkl\u00e4rt werden. Hier ist ein zus\u00e4tzlicher Prozess notwendig. Aus dem seismischen Geschwindigkeitsmodell wird erkennbar, dass der Mantel unter der R\u00fcckenachse und dem Berg langsamere Bereiche aufweist. Dies k\u00f6nnte auf eine teilweise Serpentinisierung hindeuten die eine Verringerung der Dichte mit sich f\u00fchrt. Der Dichteunterschied wird durch die Hebung kompensiert um das isostatische Gleichgewicht wieder herzustellen. Ein Tauchgang entlang der sehr steilen S\u00fcdflanke des Massivs brachte serpentinisierten Mantel hervor. Dies l\u00e4sst auf eine drei-dimensionale Struktur des gesamten Berges schlie\u00dfen. Es wird angenommen, dass der Bruch im Segmentzentrum in einem intrusiven magmenreichen Gebiet endet, und damit vorwiegend Gabbro an die Oberfl\u00e4che zieht, w\u00e4hren zum Segmentende hin die Kruste ausd\u00fcnnt, 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 Oberfl\u00e4che wird erm\u00f6glicht.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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