Antragsteller:
Dr. Stephan Sobolev
Fachgebiet und Arbeitsrichtung
Fachgebiet: Geophysik
3.2 Zusammenfassung
In diesem Teilprojekt soll der Effekt von Hochdruck-Phasenumwandlungen und metamorphen Mineralreaktionen auf die Rheologie und das Spannungsfeld der subduzierenden Nazca-Platte im Gebiet der zentralen Anden untersucht werden, unter besonderer Berücksichtigung der Lage bzw. Natur intermediärer Erdbeben (80-250 km Tiefe). Die Nazca-Platte wird dabei als ein mineralogisch und rheologisch geschichtetes Medium mit temperatur-, spannungs- und mineralabhängiger Rheologie beschrieben. Änderungen in der Bindungsenergie (latente Wärme) wie auch in der Dichte infolge der Mineralumwandlungen (Gabbro->Eklogit, Blueschist->Eklogit bzw. Olivin->Spinell, Spinell->Postspinell) werden in die rheologische Modellierung einbezogen, ebenso wie der Einfluß temperatur- bzw. druckabhängiger Reaktionsraten. Auf der Grundlage einer FE-Modellierung soll das entsprechende thermo-mechanische Problem in selbstkonsistenter Kopplung mit den kinetischen Transformationsgleichungen gelöst werden. Geometrische Randbedingungen für diese Modellierung liefern u.a. die Ergebnisse des kürzlich abgeschlossenen ANCORP Experiments in den Zentralanden (Ergebnisse von aktiven und passiven seismischen Messungen).
Folgende Schwerpunkte sollen gesetzt werden:
3.3 Stand der Forschung:
Laborexperimente (z.B. Poli and Schmidt, 1995, Liu et al., 1996) zeigen; daß beim Subduktionsvorgang in der abtauchenden ozeanischen Lithosphäre eine Reihe von Mineralreaktionen im Tiefenbereich zwischen 40-200 km ablaufen, in deren Ergebnis eine fast komplette Entwässerung der Platte (>90 %) stattfindet. Das freigesetzte Wasser ist u.a. auch einer der Schlüsselfaktoren zum Verständnis der magmatischen Prozesse in dem über der subduzierenden Platte liegenden Mantelkeil (Peacock, 1996). Eine Reihe von Entwässerungsreaktionen ist dabei mit dem Blueschist-Eklogit Übergang verbunden, der unter thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen in einer Tiefe von etwa 40-80 km ablaufen sollte. Die Umwandlung in die dichtere Eklogit Fazies hat eine zusätzliche negative Auftriebskraft zur Folge und damit im Ergebnis eine deutliche Änderung von Spannungsfeld und Rheologie der Platte. Infolge des geringen Impedanzkontrastes zwischen der Eklogit Fazies und dem Mantel Peridodit besteht das Problem, daß die abtauchende ozeanische Kruste von dieser Tiefe an mit seismischen Methoden kaum noch feststellbar ist (Helffrich et al.). Bei geringen Temperaturen, wie sie in der Subduktionszone im Inneren von abtauchenden Lithosphärenplatten auftreten, spielt die Kinetik polymorpher Phasenübergänge eine wesentliche Rolle. Die Kinetik dieser Umwandlungsprozesse wird generell sowohl durch die Temperatur als auch durch die Anwesenheit von Fluidphasen kontrolliert (Hacker, 1996).
Die Temperaturverteilung in der abtauchenden Platte ist stark inhomogen und bestimmt sich in erster Linie aus Abtauchgeschwindigkeit und Alter der Platte, der freigesetzten Reibungswärme an der Oberseite der Platte und den thermischen Randbedingungen zum umgebenden Mantel (McKenzie, Peacock, Töksoz). Zusätzlich treten innere Wärmequellen auf infolge der ablaufenden Mineralreaktionen (freigesetzte latente Wärme). Springer (1997) entwickelte ein thermisches Modell der Nazca Platte im Bereich der Zentralanden auf der Basis der klassischen Arbeiten und der beobachteten Oberflächenwärmeflußdichte in dieser Region (Pollack et al. 1993). Im Ergebnis erhielt er Temperaturen von 300-500 °C in der Kruste bzw. im darüberliegenden asthenosphärischen Mantelkeil bei 40-80 km Tiefe. Bei diesen geringen Temperaturen ist klar, daß die Reaktionskinetik einen deutlichen Einfluß auf den Phasenumwandlungsprozeß besitzen sollte. Trotzdem wurde bisher weder dieser Effekt noch die Rückwirkung der freigesetzten latenten Wärme auf das Temperaturfeld in diesem Tiefenbereich quantitativ untersucht. Thermo-kinetische Modellierungen dieser Art gibt es nur für den Bereich der Mantelübergangszone unterhalb 400 km Tiefe für den Olivin-Spinell Übergang (Däßler et al. 1996).
Die Erdbebenverteilung innerhalb der WB-Zonen ist ebenfalls stark inhomogen. Wesentliche Teile der seismischen Energie wird zwischen 60-250 km freigesetzt (intermediate depth earthquakes). Der größte Teil dieser Ereignisse befindet sich in Clustern in einer Tiefe von 80-150 km und ist oftmals direkt unter dem vulkanischen Bogen lokalisiert. Kirby (1996) stellte auf Grund dieser Beobachtung die inzwischen weithin akzeptierte Hypothese auf, daß sowohl die Magmenbildung im Mantelkeil als auch das Auftreten der mitteltiefen Beben in der abtauchenden Platte ein Ergebnis von ein und demselben Vorgang, den Entwässerungsreaktionen in der Platte, darstellen. Erdbeben entstehen dabei im Ergebnis von "dehydration embrittlement" Prozessen in der abtauchenden Kruste, ein inzwischen gut untersuchter Mechanismus (z.B Paterson, 1978). Erdbeben in größerer Tiefe (> 100 km) werden erklärt durch die kinetische Verzögerung dieser Reaktionen infolge der geringen Temperaturen in schnell abtauchenden Platten (Kirby, 1996). Erste numerische Modelle des Gabbro-Eklogit Überganges in einer 1-layer Kruste mit elastischer bzw. elasto-plastischer Rheologie zeigen, daß starke Zugspannungen in down-dip Richtung im Ergebnis dieser Umwandlung erwartet werden können (Kirby, 1996).
Die negative Auftriebskraft der Nazca-Platte ("slab pull") wird auch maßgeblich mit durch die Phasenumwandlungen in der tieferen Mantelübergangszone (> 400 km) beeinflußt. Infolge der geringen Temperaturen im kalten Plattenkern von ca. 500-600 C gelangt metastabiler Olivin in große Tiefe, was entscheidenden Einfluß auf die Struktur der Phasengrenze und so direkte Auswirkung auf die Auftriebskräfte in der abtauchenden Platte hat (Kirby et al., 1991). Qualitativ wurde dieser Effekt erstmals durch Sung und Burns (1976), Bassett (1979) und später durch Goto et al. (1987) beschrieben. Neuere Arbeiten zeigen die Herausbildung einer 10-20 km dicken metastabilen Olivinschicht im kalten Plattenkern (Däßler et al. 1996, Kirby, 1996, Riedel und Karato 1997a) und damit eine deutliche Beeinflussung des "slab pulls" der abtauchenden Platte. Einfache geodynamische Modelle ergeben eine Änderung der Subduktionsgeschwindigkeit von bis zu 2 cm/yr (Monz and Schmeling, 1997).
Literatur
Bassett, W. A., 1979. The diamond cell and the nature of the earth's mantle. Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 7, 357-384, 1979.
3.4 Eigene Vorarbeiten
Eine besonders ausgeprägte geneigte seismische Reflektionszone (Nazca reflector) wurde im Ergebnis des ANCORP’96 Experiments in einer Tiefe von 40-80 km im Forearc-Bereich der Zentralanden bei 21° Süd festgestellt. Der tiefste Teil dieser Reflektionszone besitzt eine außergewöhnlich hohe Intensität von 10-12 db über dem Hintergrundlevel. Dieser Reflektor kann durch die Akkumulation von Fluiden in Verbindung mit einer rezenten Serpentinisierungsfront im oberen Mantelkeil erklärt werden, wobei diese Fluide zuvor durch entsprechende Entwässerungsreaktionen (Blueschist-Eklogit Übergang) in der abtauchenden Nazca Platte gebildet worden sind (ANCORP Working Group, 1997, 1998; Sobolev, Oncken and ANCORP Working Group, 1998). Die Lage der mitteltiefen Beben in der Umgebung des ANCORP Profils konnte dabei mit außergewöhnlich hoher Genauigkeit festegestellt werden (+/- 2 km). Überraschenderweise ergab sich, daß die meisten Erdbebencluster westwärts und deutlich tiefer (etwa 20 km) als der Nazca Reflektor verteilt waren (siehe Abbildung 1). Zusätzlich wurde diese Beobachtung durch Untersuchungen im Rahmen des ANCORP und CINCA Experiments (eine Erweiterung des ANCORP Profils unter Ausnutzung von Weitwinkel Reflektionen und der Methode der Phasenkonversion teleseismischer Ereignisse) und durch lokale seismische Tomographie im Rahmen des ANCORP und PISCO (23-24 ° Süd) Experiments ergänzt. Insgesamt sind diese seismischen Beobachtungen in der Lage, ein außergewöhnlich detailliertes Bild der Plattengeometrie und möglicher thermo-mechanischer Randbedingungen für den Subduktionsprozeß im Bereich der Zentralanden zu liefern, der in dieser Weise kaum für eine andere Subduktionszone der Erde bekannt sein dürfte. Das Verständnis der seismischen Beobachtungen in Bezug auf die in der Nazca Platte ablaufenden Mineralumwandlungen wird dabei auf der Grundlage der Arbeiten zur geophysikalischen Modellierung dieser Prozesse möglich, die eine Verbindung von seismischen Beobachtungsgrößen mit der Petrologie der aktiven Prozesse in der Lithospäre darstellen (Sobolev and Babeyko, 1994, Sobolev et al., 1996, 1997 a,b,c , Enderle et al.,1996).
Einer der Schlüsselpunkte zum Verständnis dieser Prozesse ist der Blueschist-Eklogit bzw. Gabbro-Eklogit Übergang. Dessen Kinetik ist momentan eher unzureichend charakterisiert (z.B. Hager, 1996), obwohl gut bekannt ist,daß sie sehr wahrscheinlich durch die Rate des Kationen Transports kontrolliert wird. Für wasserfreie Systeme ist dies als ratenlimitierender Prozeß die temperaturabhängige Diffusion von Al3+ in Granat oder Clinopyroxen, dies entspricht einer Zeitskala von mehreren Millionen Jahren bei Temperaturen um die 800 °C (Artyuschkov and Sobolev, 1982, Sobolev and Babeyko, 1989). Die Präsenz von Fluiden kann zu einer starken Beschleunigung der Transformationskinetik und damit zu signifikanten tektonischen Konsequenzen führen (Artyuschkov and Sobolev, 1982, Sobolev, 1986).
Thermo-mechanische Modellierungen unter Berücksichtigung von Mineralreaktionen erfordern generell einen höheren numerischen Aufwand bzw. auch spezielle petrologische Kenntnisse. Der Gabbro-Eklogit Übergang wurde Gliko und Sobolev (1986) in Verbindung mit einer thermischen Modellierung untersucht. Die Modellierung der Beeinflussung der Rheologie subduzierender ozeanischer Lithosphäre durch Phasenumwandlungen in der Mantelübergangszone wurde durch Däßler et al. (1996) und Riedel und Karato (1996, 1997a, b) untersucht. Obwohl eine Reihe von Ansätzen zur thermischen Struktur subduzierender Lithosphärenplatten zunächst ohne Einbeziehung der Mantelkonvektion (McKenzie, 1968; Griggs, 1972) und später mit Berücksichtigung der Platten-Mantel-Wechselwirkung (Toksöz et al., 1971) existieren, blieb lange Zeit das Problem einer selbstkonsistenten thermisch-kinetischen Kopplung ungelöst. Der in den o.a. Arbeiten beschrittene Weg der selbstkonsistenten Lösung der gekoppelten kinetisch-thermischer Prozesse in der Subduktionszone stellt daher in dieser Hinsicht einen wesentlichen Fortschritt dar.
Literatur
ANCORP Working Group 1998, New Image of Central Andean Subduction Zone, submitted to Nature.
3.5 Arbeitsprogramm und Zeitplan
Für die Lösung des gestellten Problems ist es zunächst notwendig, alle vorhandenen bzw. verfügbaren seismischen Beobachtungen zusammenzuführen, um ein möglichst vollständiges Bild der möglichen Geometrie der Nazca Platte bzw. der geometrischen Randbedingungen für die thermo-mechanische Modellierung zu bekommen. In ähnlicher Weise werden wir verfügbare kinetische Daten aus Hochdruck-Laborexperimenten bzw. aus petrologischen Modellen zum Blueschist-Eklogit bzw. Gabbro-Eklogit Übergang zusammenstellen, um den Bereich der kinetischen Parameter so gut wie möglich einzugrenzen. Der nächste Schritt ist die genaue Formulierung des thermo-mechanischen Problems. Als erste Annäherung planen wir, daß existierende 2-D finite Elemente Modell für die Temperaturverteilung in der Platte von Springer (1997) soweit zu modifizieren, daß es der neuen Geometrie und den neuen Randbedingungen Rechnung trägt. Zusätzlich ist der selbstkonsistent Einbau der freiwerdenden latenten Wärme in das Modell infolge der stattfindenden Mineralreaktionen vorgesehen. Zusätzlich soll die chemische Differenzierung der ozeanischen Lithosphäre in Form eines 2-Schicht-Modells (Harzburgit- bzw. Peridodit-Schicht) für die Nazca Platte im Modell berücksichtigt werden.
2000Das korrigierte thermo-kinetische Modell wird als Input für den kommerziellen finite Elemtent Solver MARC benutzt, um das Spannungs-Deformations-Verhalten der Nazca Platte im Bereich der Zentralanden zu bestimmen. Auf diese Weise ist es uns möglich, das thermo-kinetische Problem und das mechanische Problem zunächst entkoppelt zu betrachten, um den großen Bereich der notwendigen Modellparameter (Geometrie und Randbedingungen der Nazca Platte, Reibungswärme, kinetische und rheologische Parameter für verschiedene Minerale bzw. -reaktionen) besser kontrollieren und überschauen zu können
2001Das intern gekoppelte thermo-kinetisch-mechanische Problem wird formuliert und numerisch mit Hilfe des FE Solvers MARC gelöst. Im Ergebnis wird ein realistisches Spannungs-Temperatur-Profil der Nazca Platte erwartet, daß Rückschlüsse auf die Natur und den Entstehungsmechanismus mitteltiefer Erdbeben zuläßt. Dieses Profil wird mit den seismischen Beobachtungen bzw. vorhandenen petrologischen Informationen verglichen, um einzelne Modellparameter weiter zu fixieren und die Position der Erdbebencluster möglichst genau erklären zu können.
3.6 Stellung innerhalb des Sonderforschungsbereiches
Zusammenarbeit mit anderen TeilprojektenDas beantragte Teilprojekt profitiert in starkem Maße von verfügbaren kinetischen Daten aus Hochdruckexperimenten, wie sie in den Teilprojekten E3A (Prof. Arndt) und E3B (Dr. Huenges, Prof. Heinrich) vorgesehen sind (Bestimmung von Aktivierungsenergien, Leitfähigkeitsmessungen u.a.).
Eine enge Wechselwirkung ergibt sich zum Teilprojekt C2A (Dr. Trumbull) in Bezug auf die Modellierung der Fluid-Gesteins-Wechselwirkung im Mantelkeil zwischen Ober- und Unterplatte bzw. auch in ähnlicher Weise zum Teilprojekt C2C (Prof. Oberhänsli).
Im Teilprojekt E1 (Prof. Kind) werden u.a. Undulationen der 410 bzw 660 km Diskontinuität in der Mantelübergangszone untersucht; hier bestehen wechselseitige Beziehungen in Bezug auf die hier geplante thermo-kinetische Modellierung des Olivin-Spinell Übergangs.