Untersuchung der Krustenstruktur des Manihiki Plateaus im Rahmen der Expedition SO-224

Das Manihiki Plateau ist ein untermeerisches Lavaplateau, eine sogenannte „Large Igneous Province“ (LIP), im zentralen Westpazifik (Abb. 1). Es ent-stand in der frühen Kreide (ca. 125 Ma) wahrscheinlich als ein Teilstück der „Super-LIP“ Ontong Java Nui (Chandler et al., 2013; 2012; Taylor, 2006). Dieses vulkanische Plateau bestand neben dem Manihiki Plateau aus dem Ontong Java Plateau und dem Hikurangi Plateau (Abb.1), sowie weiteren Teilstücken, die mittlerweile subduziert wurden (Larson et al., 2002; Viso et al., 2005). Man geht davon aus, dass Ontong Java Nui ungefähr 1% der Erd-oberfläche bedeckte. Eine vulkanische Provinz entsteht meist durch eine massive erste vulkanische Phase, gefolgt von mehreren kürzeren vulkani-schen Phasen (Coffin and Eldholm, 1994). Ontong Java Nui brach zwischen diesen zwei plateaubildenden Phasen auseinander (Hoernle et al., 2010; Timm et al., 2011), und die Teilplateaus durchliefen jeweils eine individuelle tektonische und petrologische Entwicklung. Während der Expedition SO-224 im Jahr 2012 wurden zwei refraktions- und weitwinkelreflexionsseismische Profile aufgenommen (Fig. 1). Hierzu wurden jeweils 33 Ozeanbodenseismometer ausgebracht. Diese Daten erlauben uns einen Einblick in die Struktur der Kruste und oberen Mantels des Manihiki Pla-teaus. Somit können die Hypothesen über die gemeinsame Entstehung des Manihiki Plateaus mit dem Ontong Java Plateau und dem Hikurangi Plateau überprüft werden. Ebenso ist es möglich, die Struktur der zwei größten Un-terprovinzen des Manihiki Plateaus, das High Plateau und die Western Plateaus, zu vergleichen. Bei der Modellierung der Krustenstruktur der beiden Unterprovinzen traten einige Gemeinsamkeiten, aber auch erstaunliche Unterschiede zu Tage (Abb. 2). Generell besteht eine LIP aus einer unteren Kruste, die sehr hohe P-Wellengeschwindigkeiten (7.1 bis 7.7 km/s) aufweist. Diese Schicht ist in bei-den Teilprovinzen vorhanden. Die Krustenmächtigkeit variiert zwischen 9 und 17 km an den Western Plateaus (Abb. 2a) und beträgt konstant 20 km am High Plateau (Abb. 2b). Die Struktur der oberen Kruste weist große Unter-schiede zwischen den verschiedenen Teilprovinzen auf. Das High Plateau ist durch basaltische Flussstrukturen geprägt. Zahlreiche intrusive und extrusive vulkanische Strukturen, wie beispielsweise Tiefseeberge sind hier belegt (Abb. 1 und 2b). Dies deutet auf eine massive vulkanische Aktivität während späte-rer vulkanischer Phasen hin. Im Gegensatz dazu zeigen die Western Pla-teaus nur einen sehr lokalen und geringen Vulkanismus. Mehrere Horst- und Grabensysteme sowie Sedimentbecken können dort identifiziert werden (Abb. 2a). Dieses deutet auf eine starke tektonische Deformation der Western Pla-teaus hin. Auch der graduelle Anstieg der Kruste-Mantelgrenze weist auf eine gedehnte Kruste hin (Abb. 2a). Somit zeigen die beiden Unterprovinzen des Manihiki Plateaus eine unterschiedliche Entwicklung nach ihrer gemeinsamen Entstehung als eines Teils von Ontong Java Nui. Das High Plateau wurde nur an seinen Rändern tektonisch beansprucht und durchlief weitere Phasen exzessiver vulkanischer Aktivität. Die Western Pla-teaus wurden wahrscheinlich starken Dehnungskräften im Zusammenhang mit dem Abbruch des Ontong Java Plateaus ausgesetzt. Somit liegt hier eine Dehnung der vorher entstandenen LIP-Kruste und geringer Vulkanismus vor. Diese Erkenntnisse können uns genaueren Aufschluss darüber geben, welche Prozesse den Aufbruch der „Super-LIP“ Ontong Java Nui begünstigt haben und stellen wichtige Rahmenbedingungen für eine plattentektonische Rekon-struktion des zentralen Westpazifiks in der Kreide dar. Durch eine Kartierung der Ränder und Beschaffenheit der Kruste der verschiedenen Teilplateaus Ontong Java Nuis können die ursprüngliche Positionierung der verschiedenen Plateaus zueinander rekonstruiert werden. Dies bildet die Grundlage einer er-folgreichen plattenkinematischen Rekonstruktion

Playing jigsaw with large igneous provinces - a plate-tectonic reconstruction of Omtong Java Nui

Ontong Java Nui is a Cretaceous large igneous province (LIP), which was rifted apart into various smaller plateaus shortly after its emplacement around 125 Ma in the central Pacific. It incorporated the Ontong Java Plateau, the Hikurangi Plateau and the Manihiki Plateau as well as multiple smaller fragments, which have been subducted. Its size has been estimated to be approximately 0.8% of the Earth’s surface. A volcanic edifice of this size has potentially had a great impact on the environment such as its CO2 release. The break-up of the “Super”-LIP is poorly constrained, because the break-up and subsequent seafloor spreading occurred within the Cretaceous Quiet Period. The Manihiki Plateau is presumably the centerpiece of this “Super”-LIP and shows by its margins and internal fragmentation that its tectonic and volcanic activity is related to the break-up of Ontong Java Nui. By incorporating two new seismic refraction/wide-angle reflection lines across two of the main sub-plateaus of the Manihiki Plateau, we can classify the break-up modes of the individual margins of the Manihiki Plateau. The Western Plateaus experienced crustal stretching due to the westward motion of the Ontong Java Plateau. The High Plateau shows sharp strike-slip movements at its eastern boundary towards an earlier part of Ontong Java Nui, which is has been subducted, and a rifted margin with a strong volcanic overprint at its southern edges towards the Hikurangi Plateau. These observations allow us a re-examination of the conjugate margins of the Hikurangi Plateau and the Ontong Java Plateau. The repositioning of the different plateaus leads to the conclusion that Ontong Java Nui was larger (~1.2% of the Earth’s surface at emplacement) than previously anticipated. We use these finding to improve the plate tectonic reconstruction of the Cretaceous Pacific and to illuminate the role of the LIPs within the plate tectonic circuit in the western and central Pacific

Hintergrund und erste Ergebnisse der vulkanologisch-geochronologisch-geochemischen Arbeiten von SO-232 (SLIP) am Mozambiquerücken (SW-Indik)

Die FS SONNE-Reise SO-232 ist Teil des multidisziplinären Projekts SLIP (Suspec-ted Large Igneous Province), dass vom das vom Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) und vom Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR) gemeinsam durchgeführt wird. Während SO-232 wurden reflexionsseismische Vermessungen (AWI), bathymetrische Kartierungen (AWI, GEOMAR) und Hartgesteinsbeprobungen (GEOMAR) am Mozambiquerücken im Südwest-Indik durchgeführt (Abb. 1). Damit soll ein besseres Verständnis der Entstehung des Mozambiquerückens im Verlauf der Öffnung des Südozeans sowie des Zusammenhangs zwischen vulkanisch-tektonischen Aktivitäten und sich verän-dernden Tiefseeströmungsmustern erreicht werden. Dieser Beitrag befasst sich mit den geologischen Arbeiten von SO-232, die Geophysik wird von Fischer und Uen-zelmann-Neben, AWI vorgestellt. Der Mozambiquerücken ist ein submarines Plateau, dass nach dem Aufbruch des Superkontinents Gondwana und der Öffnung des Südozeans vor möglicherweise ca. 120 - 140 Mill. Jahren entstand (König und Jokat 2010). Allerdings werden drei völlig unterschiedliche Modelle für seine Bildung diskutiert. Demnach ist der Mozambique-rücken entweder (1) ein kontinentales Fragment, das nach dem Aufbruch von Gondwana in der Ozeankruste verblieben ist, oder (2) eine eigenständige Mikroplatte oder (3) eine ozeanischen Flutbasaltprovinz, die durch großvolumigen Magmatismus entstand. Ein Ziel von SO-232 ist es, Alter und Zusammensetzung der magmati-schen Gesteine des Mozambiquerückens zu charakterisieren, um damit Natur, Ur-sprung und zeitliche und räumliche Entwicklung des Mozambiquerückens zu rekon-struieren. Dies ist z.B. wichtig für die Rekonstruktion der globalen Plattentektonik und für das Verständnis magmatischer Großereignisse. Auch hat die Bildung ozeanischer Plateaus Auswirkungen auf die Ozeanzirkulation und damit auf das Klima. Weiterhin soll die Zusammensetzung der Mantelquelle unter dem Mozambiquerü-cken charakterisiert werden, um neue Erkenntnisse über den Ursprung der "Dupal-Anomalie" (Hart 1984) zu gewinnen. Die Dupal-Anomalie, die nach den Geochemi-kern Dupré und Allègre benannt ist, ist ein bis zu 60° breiter Bereich, der sich in der südlichen Hemisphäre um die Erde erstreckt und geochemisch stark angereicherte Signaturen in Intraplattenvulkaniten aufweist (radiogene Sr- und unradiogene Nd-Isotopenverhältnisse sowie hohes ∆7/4 und ∆8/4). Der Mozambiquerücken befindet sich im Gebiet dieser Anomalie, deren Ursprung kontrovers diskutiert wird. Eine mögliche Erklärung könnten Fragmente unterer kontinentaler Kruste sein (Escrig et al. 2004, Hanan et al. 2004), die infolge des Gondwana-Aufbruchs durch Delaminati-on in den oberen Mantel gelangten oder sich innerhalb der ozeanischen Lithosphäre befinden. Eventuelle kontinentale Teile des Mozambiquerückens könnten ein solches Fragment sein. Alternativ werden für die Dupal-Anomalie tiefe Mantelquellen disku-tiert. Neue Erkenntnisse über diese globale Anomalie in der Zusammensetzung des Erdmantels sind u.a. grundlegend für ein besseres Verständnis von Mantelprozes-sen, die die Funktionsweise des "Systems Erde" maßgeblich beeinflussen. Während SO-232 wurden 59 Dredgezüge durchgeführt, von denen 35 massive magmatische Gesteine und 16 Vulkaniklastika erbrachten (Abb. 1). Damit wurde das magmatische Basement des Mozambiquerückens erstmals erfolgreich umfassend beprobt. Weiterhin lieferten die Dredgen Sedimente, Mangankrusten und Benthos-fauna, die Kooperationspartnern zur Verfügung gestellt werden. Nahezu alle magma-tischen Proben sind vulkanisch oder subvulkanisch, was die Hypothese stützt, dass der Mozambiquerücken vulkanischen Ursprungs ist und eine Flutbasaltprovinz reprä-sentieren könnte. Nur ein Block am Nordostrand des Rückens hat eindeutig eine kontinentale Affinität und ist wahrscheinlich ein Splitter kontinentaler Kruste. Bemer-kenswerterweise befinden sich nahezu überall auf dem Rücken kleine Vulkankegel, die sicherlich nicht >100 Mill. Jahre Sedimentation und Tektonik überstehen können und daher auf eine Reaktivierung des Vulkanismus nach Bildung des eigentlichen Rückens hindeuten. Die magmatischen Proben werden in den kommenden ca. 2 Jahren umfassend geo-chemisch analysiert (u.a. Haupt- und Spurenelemente, Sr-Nd-Pb-Hf-Isotopenverhältnisse). Petrographie und Hauptelementzusammensetzung werden genutzt, um die Gesteine zu klassifizieren, auf Ihre Eignung für die weitere Analytik zu überprüfen und die Magmenentwicklung zu rekonstruieren. Spurenelementdaten dienen u.a. als Indikatoren für Aufschmelzgrade bei der Magmenproduktion und können Hinweise auf eine mögliche Krustenkontamination sowie die chemische Zu-sammensetzung der Magmenquelle liefern. Die Verhältnisse radiogener Isotopen geben Informationen über die Entwicklung der Magmenquellen des Mozambiquerü-ckens. Weiterhin soll anhand von 40Ar/39Ar-Altersdatierungen festgestellt werden, wann der Rücken entstand, wie lange der Magmatismus andauerte und ob er durch ein einzelnes Großereignis oder in mehreren Phasen vulkanischer Aktivität entstand. Einen ersten Satz von Hauptelementdaten der SO-232-Proben haben wir kurz vor Einreichen dieser Zusammenfassung erhalten. Mit einer Ausnahme sind alle bisher analysierten Proben Basalte, Trachybasalte und basaltische Andesite mit SiO2-Gehalten zwischen 47 und 53 Gew. % (Abb. 2). Die Entwicklung dieser Laven wurde somit kaum durch krustale Prozesse beeinflusst und die weitere Analytik wird es uns daher erlauben, ihre Mantelquellen zu identifizieren. Wir erwarten, auf dem Sonne-Statusseminar weitere Daten präsentieren zu können, die u.a. erste Informationen über Schmelztiefen und Aufschmelzgrad sowie Mantelquellen liefern werden

The evolving paleobathymetry of the circum-Antarctic Southern Ocean since 34 Ma – A key to understanding past cryosphere-ocean developments

The Southern Ocean is a key player in the climate, ocean and atmospheric system. As the only direct connection between all three major oceans since the opening of the Southern Ocean gateways, the development of the Southern Ocean and its relationship with the Antarctic cryosphere has influenced the climate of the entire planet. Although the depths of the ocean floor have been recognized as an important factor in climate and paleoclimate models, appropriate paleobathymetric models including a detailed analysis of the sediment cover are not available. Here, we utilize more than 40 years of seismic reflection data acquisition along the margins of Antarctica and its conjugate margins, along with multiple drilling campaigns by the International Ocean Discovery Program (IODP) and its predecessor programs. We combine and update the seismic stratigraphy across the regions of the Southern Ocean and calculate ocean-wide paleobathymetry grids via a backstripping method. We present a suite of high-resolution paleobathymetric grids from the Eocene-Oligocene Boundary to modern times. The grids reveal the development of the Southern Ocean from isolated basins to an interconnected ocean affected by the onset and vigor of an Antarctic Circumpolar Current, as well as the glacial sedimentation and erosion of the Antarctic continent. The ocean-wide comparison through time exposes patterns of ice sheet development such as switching of glacial outlets and the change from wet-based to dry-based ice sheets. Ocean currents and bottom-water production interact with the sedimentation along the continental shelf and slope and profit from the opening of the ocean gateways

The southwest Indian Ocean Bathymetric Compilation (swIOBC)

We present a comprehensive regional bathymetric data compilation for the southwest Indian Ocean (swIOBC) covering the area from 4°S to 40°S and 20°E to 45°E with a spatial resolution of 250 m. For this, we used multibeam and singlebeam data as well as data from global bathymetric data compilations. We generated the swIOBC using an iterative approach of manual data cleaning and gridding, accounting for different data qualities and seamless integration of all different kinds of data. In comparison to existing bathymetric charts of this region, the new swIOBC benefits from nearly four times as many data-constrained grid cells and a higher resolution, and thus reveals formerly unseen seabed features. In the central Mozambique Basin a surprising variety of landscapes were discovered. They document a deep reaching influence of the Mozambique Current eddies. Details of the N-S trending Zambezi Channel could be imaged in the central Mozambique Basin. Maps are crucial not only for orientation but also to set scientific processes and local information in a spatial context. For most parts of the ocean seafloor, maps are derived from satellite data with only kilometer resolution. Acoustic depth measurements from ships provide more detailed seafloor information in tens to hundreds of meters resolution. For the southwest Indian Ocean, all available depth soundings from a variety of sources and institutes are combined in one coherent map. Thus, in areas where depth soundings exist, this map shows the seafloor in so-far unknown detail. This detailed map forms the base for subsequent studies of e.g. the direction of ocean currents, geological and biological processes in the southwest Indian Ocean