Oceanus.

v. 17, winter (1973-1974

Constructing synthetics from deep earth tomographic models

Recent studies of deep mantle structure indicate strong heterogeneity. To conduct high-resolution waveform modelling of these structures, we have developed a new method to construct 2-D synthetics directly from block-style tomographic models. Unlike the WKBJ approximation, which utilizes rays overshooting and undershooting receivers, our method (WKM approximation) uses rays that arrive at the receiver. First, the ray paths from the 1-D layered reference model are used to localize each ray segment, where the anomalous velocities are applied by overlay, as in tomography. Next, new p_i (t_i) (p_i ray parameter, ti traveltime) are computed to satisfy Snell’s law along with their numerical derivative (δp/δt), which is used to construct a synthetic seismogram similar to the WKBJ method. As a demonstration of the usefulness of this method, we generated WKM synthetics for the D″ region of high velocities beneath Central America based on Grand’s tomography model. Reasonable fits to broad-band data are obtained by condensing his distributed anomalies into his lowermost mantle layer; such a 2-D model predicts synthetics containing a laterally varying S_cd triplication similar to observations

Spectra of mantle shear wave velocity structure

We applied the stochastic method of Gudmundsson, Davies & Clayton (1990) (which was applied to ISC P-wave data) to teleseismic ISC S-wave data to obtain an independent estimate of mantle structure. We inverted the variance of S-wave traveltime residuals of bundles of rays to obtain a description of the spectrum of lateral heterogeneity as a function of depth through the mantle. The technique yields robust estimates of the traveltime scattering power (the product of a characteristic scalelength of heterogeneity and the mean square of slowness perturbations). We can estimate the characteristic scalelength (half-width), from the autocovariance; which can be reconstructed from the spectra. Hence by division, we can estimate the root mean square slowness. By extrapolating the variance of bundles of rays to bundles of zero cross-sectional area we can also estimate the scale-incoherent signal (which is a plausible estimate of the noise in the data), which is removed from the data. We find that most of the structure generating shear wave traveltime residuals is located in the uppermost mantle. About half of the structure is short scale (harmonic degree l > 50). The large-scale structure (l > 50) has a half-width of about 500 km in the upper half of the mantle. This S-wave half-width is consistent with the P-wave half-widths determined by Gudmundsson et al. (1990). The S-wave half-width in the lower half of the mantle is poorly constrained. It varies from 500 to 3000 km, which spans the better constrained value of 1200 km found by Gudmundsson et al. (1990) for P-waves. The incoherent scatter suggests that the signal-to-noise ratio of the S-wave data set is around 1.5. Assuming that the compressional and shear wave velocity variations are correlated then the signal weighted value of the ratio d In (V_s)/d In (V_p) is ≈ 2, as also found in normal mode studies. This is much larger than the value of ≈ 0.8–1.4 suggested by laboratory experiments undertaken at atmospheric pressure. There is no evidence of periodicity in the traveltime autocovariance; this suggests little or no periodicity in the underlying convection. The short half-width through most of the mantle suggests high Rayleigh number convection, with its attendant small-scale structures. The power decreases by an order of magnitude or more in going from the upper mantle to the lower mantle, the same as found by Gudmundsson et al. (1990) for P-waves. This large difference suggests either a change in convective regime and/or a difference in the temperature sensitivity of elastic constants in both layers. The increased short-scale structure at the top of the mantle suggests that a large part of the seismic signature at this boundary is compositional, since one would expect a red spectrum for a thermal boundary layer. The derived spectra between l≈ 10 and l≈ 50 are similar in shape to spectra from the mantle convection simulations of Glatzmaier (1988) with a Rayleigh number of 10^6-10^7, which would suggest layered convection, if the comparison is valid

Fracture zone tectonics, continental margin fragmentation, and emplacement of the Kings-Kaweah ophiolite belt, Southwest Sierra Nevada, California

The Sierra Nevada foothill met amorphic belt is a 450 km long assemblage of remnant continent-derived epiclastics, arc volcanics, pelagic-hemipelagic sediments, and ophiolite slices. The various lithologic units range in age from Ordovician to Jurassic. Litho logic units are lenticular at scales ranging up to 150 km and strike about N. 30°W. parallel to the trend of the metamorphic belt (Fig. 1). Many units are penetratively deformed with a variety of near vertical foliation surfaces. The lithologic units are generally bounded by steep dipping fault and melange zones, but locally depositional contacts can be recognized. From at least latitude 38°30'N southward, latest Paleozoic to possibly early Mesozoic disrupted ophiolite occurs as remnant oceanic basement beneath Triassic to Jurassic arc volcanics and interstratified continent-derived epiclastics. Along the northern part of this segment of the metamorphic belt the ophiolitic rocks occur as scattered basement exposures surrounded by the younger volcanic and epiclastic rocks (Morgan and Stern, 1977; Behrman, 1978; Saleeby, unpub. field data). Further south in the Kings-Kaweah terrane deeper structural levels of the foothill metamorphic belt are exposed. Here a nearly continuous 125 km long ophiolite belt occurs with scattered remnants of early Mesozoic arc volcanic and epiclastic rocks depositionally above It. The ophiolite belt is named informally the Kings-Kaweah ophiolite belt after the Kings and Kaweah Rivers which transect it. This ophiolite belt constitutes part of the same oceanic basement terrane that is locally exposed further north amidst the arc volcanics and epiclastics

Crustal thinning in the northern Tyrrhenian Rift: Insights from multichannel and wide-angle seismic data across the basin

Extension of the continental lithosphere leads to the formation of rift basins or rifted continental margins if breakup occurs. Seismic investigations have repeatedly shown that conjugate margins have asymmetric tectonic structures and different amount of extension and crustal thinning. Here we compare two coincident wide-angle and multichannel seismic profiles across the northern Tyrrhenian rift system sampling crust that underwent different stages of extension from north to south and from the flanks to the basin center. Tomographic inversion reveals that the crust has thinned homogeneously from ~24 km to ~17 km between the Corsica Margin and the Latium Margin implying a β factor of ~1.3–1.5. On the transect 80 km to the south, the crust thinned from ~24 km beneath Sardinia to a maximum of ~11 km in the eastern region near the Campania Margin (β factor of ~2.2). The increased crustal thinning is accompanied by a zone of reduced velocities in the upper crust that expands progressively toward the southeast. We interpret that the velocity reduction is related to rock fracturing caused by a higher degree of brittle faulting, as observed on multichannel seismic images. Locally, basalt flows are imaged intruding sediment in this zone, and heat flow values locally exceed 100 mW/m2. Velocities within the entire crust range 4.0–6.7 km/s, which are typical for continental rocks and indicate that significant rift-related magmatic underplating may not be present. The characteristics of the pre-tectonic, syn-tectonic and post-tectonic sedimentary units allow us to infer the spatial and temporal evolution of active rifting. In the western part of the southern transect, thick postrift sediments were deposited in half grabens that are bounded by large fault blocks. Fault spacing and block size diminish to the east as crustal thinning increases. Recent tectonic activity is expressed by faults cutting the seafloor in the east, near the mainland of Italy. The two transects show the evolution from the less extended rift in the north with a fairly symmetric conjugate structure to the asymmetric margins farther south. This structural evolution is consistent with W-E rift propagation and southward increasing extension rates

Laurentian crustal recycling in the Ordovician Grampian Orogeny: Nd isotopic evidence from western Ireland

Because magmatism associated with subduction is thought to be the principal source for continental crust generation, assessing the relative contribution of pre-existing (subducted and assimilated) continental material to arc magmatism in accreted arcs is important to understanding the origin of continental crust. We present a detailed Nd isotopic stratigraphy for volcanic and volcaniclastic formations from the South Mayo Trough, an accreted oceanic arc exposed in the western Irish Caledonides. These units span an arc-continent collision event, the Grampian (Taconic) Orogeny, in which an intra-oceanic island arc was accreted onto the passive continental margin of Laurentia starting at ~475 Ma (Arenig). The stratigraphy corresponding to pre-, syn- and post-collisional volcanism reveals a progression of εNd(t from strongly positive values, consistent with melt derivation almost exclusively from oceanic mantle beneath the arc, to strongly negative values, indicating incorporation of continental material into the melt. Using εNd(t) values of meta-sediments that represent the Laurentian passive margin and accretionary prism, we are able to quantify the relative proportions of continent-derived melt at various stages of arc formation and accretion. Mass balance calculations show that mantle- derived magmatism contributes substantially to melt production during all stages of arc-continent collision, never accounting for less than 21 % of the total. This implies that a significant addition of new, rather than recycled, continental crust can accompany arc-continent collision and continental arc magmatism. © 2004 Cambridge University Press

БОНИНИТЫ ВО ВРЕМЕНИ И ПРОСТРАНСТВЕ: ПЕТРОГЕНЕЗИС И ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ОБСТАНОВКИ ОБРАЗОВАНИЯ

The article provides an overview of boninitic magmatism occurrences in space and time and shows that the boninite rock series were generated through the entire geological history of the Earth. In modern environments, the genesis of boninites is related to intra‐oceanic subduction initiation. Boninites are typical members of suprasubduc‐ tion zone ophiolite sequences in the Phanerozoic fold belts and also present in the early Precambrian greenstone belts. A comparative study on compositions of the early Precambrian and Phanerozoic boninites indicate their evolu‐ tion through time due to gradual transition from the early thick‐plate tectonics to the modern thin‐plate tectonics. A link between subduction initiation and mantle‐plume impingement at the oceanic lithosphere is discussed.Бониниты получили широкую известность благодаря глубоководным исследованиям преддуговых областей современных зон плитовой конвергенции Юго‐Западной Пацифики. Однако они имеют широкое распространение и в офиолитах складчатых поясов, которые традиционно рассматриваются в качестве океанической коры геологического прошлого. Поскольку бониниты не известны в срединно‐океанических хребтах, неизбежно возникает вопрос о природе офиолитов.Общепринято, что под бонинитами понимаются вулканические породы, которые удовлетворяют следующим критическим параметрам составов (в пересчете на сухой остаток) – SiO2>52 вес. %; MgO>8 вес. % и TiO2<0.5 вес. % [Le Bas, 2000]. Их классификация основана на различиях в химических, а не минералогических составах, и принято различать две крупные группы бонинитов – высококальциевые и низкокальциевые [Crawford et al., 1989]. С бонинитами пространственно и генетически связаны примитивные островодужные низко‐Ti лавы, что предопределило необходимость выделения обособленной магматической серии, известной как бонинитовая серия [Pearce, Robinson, 2010]. Собственно бониниты являются наиболее фракционированной ветвью серии, которая берет начало в пикритовых низко‐Ti расплавах. Характер распределения спектра малых элементов бонинитов наглядно показывает необычайно высокую степень деплетации мантийного источника при одновременных свидетельствах их надсубдукционного генезиса, например отрицательных аномалиях Nb(Ta) и Ti. Спектры малых элементов бонинитовой серии таковы, что, во‐первых, исключается участие какого‐либо вклада в их петрогенезис материала континентальной коры и, во‐вторых, требуется плавление мантийного источника, более деплетированного по сравнению с лерцолитовой мантией, генерирующей расплавы MORB. В то же время геохимия пород бонинитовой серии демонстрирует их отчетливую связь с толеитами островных дуг – структур, в которых происходит формирование ювенильных порций континентальной коры.В статье обобщены литературные данные по 36 объектам находок бонинитов в современных обстановках, офиолитах и раннедокембрийских зеленокаменных поясах. Показано, что породы бонинитовой серии формировались на протяжении всей геологической истории Земли.Петрологическая уникальность пород бонинитовой серии состоит в том, что для их генезиса требуется сочетание различных факторов, которое может реализовываться только в определенных, и очень ограниченных по месту локализации, геодинамических обстановках. Во‐первых, происхождение источника бонинитовых магм требует предварительного истощения верхнемантийного резервуара одним или несколькими эпизодами экстракции базальтовых расплавов; т.е. источником являлась гарцбургитовая мантия. Во‐вторых, лавы бонинитовой серии характеризуются заметной обогащенностью крупноионными литофильными элементами и легкими редкоземельными элементами по сравнению с несовместимыми высокозарядными ионами. Такие их геохимические характеристики указывают на активность водного флюида, который должен был быть инфильтрирован в мантийный источник бонинитовых расплавов. Несмотря на неопределенности в экспериментальном моделировании расплавов бонинитовой серии, составы которых зависят от многих факторов, включающих степень деплетации мантии и флюидный режим плавления, существует ясность в том, что для их генерации требуются аномально высокие температуры и присутствие водосодержащего флюида в заметном количестве. На основе современной теории декомпрессионного плавления верхней мантии были проведены расчеты условий генерации первичных расплавов бонинитовой серии различного возраста, что позволило установить отчетливый эволюционный тренд их изменения. Показано, что раннедокембрийские бонинитовые серии формировались при более высоких степенях плавления гарцбургитовой мантии (30–40 %), а формирование мантийных расплавных колонн происходило на существенно бóльших глубинах (3.5–4.0 ГПа), чем в фанерозойском эоне (2.5–3.0 ГПа).Исследования современных проявлений бонинитового вулканизма демонстрируют, что они локализованы только в зонах интраокеанической плитовой конвергенции, и нет ни одного доказанного примера, свидетельствующего об иных геодинамических обстановках их формирования. Благодаря многочисленным находкам пород бонинитовой серии, в настоящее время стало очевидным, что большинство офиолитов мира мар‐ кируют формации не древних срединно‐океанических хребтов, а палеозоны спрединга в надсубдукционных обстановках на границах океанических плит геологического прошлого. Понимание геодинамической обстановки формирования бонинитовых серий было связано с тем, что офиолиты супрасубдукционных зон связаны с начальными стадиями возникновения интраокеанических островных дуг. С физической точки зрения, главным условием для начала субдукции является возникновение гравитационной нестабильности в океанической литосфере, приводящей к ее полному расколу или коллапсу, а следовательно, к декомпрессионному плавлению верхней мантии и инициации погружения одной части плиты под другую. Это явление, как и генетическая связь бонинитов с офиолитами, легло в основание «правила инициации субдукции» (subduction initiation rule, SIR) [Whattam, Stern, 2011].Теоретически, коллапс литосферы может произойти в двух случаях: 1) когда в соприкосновение приходят плиты с разными термальными характеристиками, например при трансформном совмещении плит разного возраста – древней, холодной, и молодой, горячей [Stern, 2004]; 2) когда место инициации субдукции определяется плотностными неоднородностями на границах нормальной океанической литосферы и утолщенной океанической литосферы плюмовой природы, т.е. океанических плато или трассеров воздействия горячих точек – асейсмических хребтов или симаунтов [Niu et al., 2003]. Хорошо известно, что подъем мантийного плюма приводит к ослаблению прочности литосферы и может вызвать раскол континентов. Но, помимо этого явления, внедрение плюма в литосферу существенно изменяет ее плотностные характеристики. Привнос в верхние горизонты мантии и океаническую литосферу расплавов из обогащенного глубинного источника должен приводить к рефертилизации ранее деплетированной мантии. По мере охлаждения такой процесс будет вести к уплотнению переработанной мантийным плюмом верхней мантии, а возникший в области переработки новый сегмент литосферы со временем может приобрести отрицательную плавучесть. Это обусловлено тем, что вулканиты OIB заметно обогащены Fe и Ti. Кроме того, хорошо известно, что Fe‐Ti базальты/габбро эклогитизируются гораздо быстрее их магнезиальных эквивалентов.По-видимому, процесс установления стационарного режима субдукции требует некоторого периода аккомодации, связанного с обрывами слэба и, как следствие, контрастностью тектонических режимов на поверхности. Причиной малоглубинного отрыва слэба могла стать плотностная неоднородность погружавшейся литосферы, например ее локальная переутяжеленность продуктами OIB магматизма. Важнейшими геодинамическими следствиями этого являются, во‐первых, кратковременное сильное термальное возмущение над узколокализованной областью слэбового окна и, во‐вторых, быстрый аплифт ее надсубдукционной области. Такой механизм хорошо объясняет кратковременность (3–5 млн лет) и большие объемы вулканизма, существенно превышающие объемы вулканизма в режимах стационарной субдукции [Stern, 2002, 2004]. Ап‐ лифт надсубдукционной области приводит к образованию на месте висячей плиты офиолитовой «платформы» – фундамента для островодужной постройки.В раннем докембрии бонинитовый магматизм представлен широко, а количество новых находок древних бонинитов неуклонно возрастает. Согласно недавно опубликованным оценкам, объем бонинитового магматизма в архее примерно соответствует объемам коматиитов [Furnes et al., 2014]. Установление пород бонинитовой серии, ассоциирующих с фрагментами параллельных даек и метабазитами IAT‐типа в древнейшем сохранившемся комплексе Исуа, по‐видимому, указывает на то, что процессы субдукции имеют корни, простирающиеся к началу геологической истории Земли. Поскольку процессы инициации субдукции требуют раскола океанической литосферы на ее полную мощность, раннедокембрийская литосфера по реологическим свойствам до ее основания должна была находиться в области хрупких или хрупко‐пластических деформаций. Другими словами, такую литосферу можно рассматривать как жесткое тело, способное противостоять конвективной нестабильности, что является атрибутом плитовой тектоники [Sleep, 1992]. Мощность архейской океанической литосферы оценивается в 85–120 км, тогда как современной – примерно в 60 км.В отличие от фанерозойских бонинитовых серий, родоначальные расплавы раннедокембрийских серий формировались на глубинах ~120–130 км, т.е. в поле стабильности алмаза. Учитывая то, что примитивные расплавы древних бонинитовых серий несут метки субдукционного влияния, можно думать о способности глубокого погружения слэбов в раннедокембрийскую мантию. Таким образом, можно полагать, что в раннем докембрии действовал механизм толстоплитовой тектоники, который к неопротерозою постепенно сменился на механизм тонкоплитовой тектоники. Мантийно‐плюмовое воздействие на литосферу Земли – сквозное явление на протяжении всей геологической истории, которое определяет возникновение в ней существенных плотностных неоднородностей и, как следствие, мест инициации субдукции и роста континентальной коры

Arc–continent collision and the formation of continental crust : a new geochemical and isotopic record from the Ordovician Tyrone Igneous Complex, Ireland

Author Posting. © Geological Society of London, 2009. This is the author's version of the work. It is posted here by permission of Geological Society of London for personal use, not for redistribution. The definitive version was published in Journal of the Geological Society 166 (2009): 485-500, doi:10.1144/0016-76492008-102.Collisions between oceanic island-arc terranes and passive continental margins are thought to have been important in the formation of continental crust throughout much of Earth’s history. Magmatic evolution during this stage of the plate-tectonic cycle is evident in several areas of the Ordovician Grampian-Taconic Orogen, as we demonstrate in the first detailed geochemical study of the Tyrone Igneous Complex, Ireland. New U–Pb zircon dating yields ages of 493 ± 2 Ma from a primitive mafic intrusion, indicating intra-oceanic subduction in Tremadoc time, and 475 ± 10 Ma from a light-rare-earth-element (LREE)-enriched tonalite intrusion that incorporated Laurentian continental material by early Arenig time (Early Ordovician, Stage 2) during arc-continent collision. Notably, LREE enrichment in volcanism and silicic intrusions of the Tyrone Igneous Complex exceeds that of average Dalradian (Laurentian) continental material which would have been thrust under the colliding forearc and potentially recycled into arc magmatism. This implies that crystal fractionation, in addition to magmatic mixing and assimilation, was important to the formation of new crust in the Grampian-Taconic Orogeny. Because similar super-enrichment of orogenic melts occurred elsewhere in the Caledonides in the British Isles and Newfoundland, the addition of new, highly enriched melt to this accreted arc terrane was apparently widespread spatially and temporally. Such super-enrichment of magmatism, especially if accompanied by loss of corresponding lower crustal residues, supports the theory that arc-continent collision plays an important role in altering bulk crustal composition toward typical values for ancient continental crust.This work was supported by the University of Aberdeen. LA-MC-ICPMS dating was conducted at the Arizona LaserChron Center with the assistance of George Gehrels and Victor Valencia and was supported by NSF-EAR 0443387

The oceanic crust

In the last half dozen years the nature of the crust under the oceans has been determined by seismic refraction work (Ewing, Worzel, Raitt, Hill, Hersey, Gaskell, and others). The Mohorovicic discontinuity is near 10 km in depth, and above this there are approximately 4 km of rock having the properties of basalt which are overlain by sediments of perhaps ¾ km thickness