RIFT-PROZESSE IM ROSS-MEER-GEBIET DER ANTARKTIS UND IHRE URSACHEN:
1. Einleitung und Problemstellung
Unter den Flutbasaltprovinzen der Erde stellt die Ferrar-Provinz im Transantarkti- sehen Gebirge der Antarktis mit einer heutigen Mächtigkei von Ca. 900 m und einer Fläch von ca. 7800 km2 eher ein kleineres Vorkommen dar, geochemisch markie- ren diese Flutbasalte hingegen einen Extremfall. Diese Basalte zeichnen sich durch eine ausgesprochen homogene, deutlich krustale Komponente in der chemi- schen Zusammensetzung der Spurenelemente als auch durch eine deutlich krus- tale Isotopenzusammensetzung (Sr, Nd) aus.
Ziel dieses Projektes ist es, diese ungewöhnliche geochemischen Charakteristika der Ferrar-Flutbasalte mit Hilfe neuer geochemischer und isotopengeochemischer Daten zu klären Dabei stehen folgende Fragen im Vordergrund: (1) Ist die geo- chemische Anreicherung der Flutbasalte auf eine Magmenbildung in einer ange- reicherten Mantellithosphär zurückzuführ (Kyle 1980; Hergt et al., 1991), oder haben sich die Schmelzen in einem verarmten Mantel gebildet und wurden in ei- nem Krustenstockwerk mit Krustenmaterial kontaminiert (Faure et al., 1972, 1974;
Hoefs et al., 1980; Mensing et al., 1984)? Führ also die Bildung dieser Flutbasalt- provinz zu einer Neubildung juveniler kontinentaler Kruste oder wird Krustenmate- rial lediglich "umgelagert" (Recycling). Zur Lösun dieser Problemstellung wurden Haupt- und Spurenelementkonzentrationen von Gesamtgesteinsproben analysiert sowie Isotopenzusammensetzungen von Sr, Nd, 0, Pb und
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neu fü kontinentale Flutbasalte-
Os an Gesamtgesteinsproben und Mineralseparaten an Ferrar Gestei- nen der Prince Albert Mountains bestimmt. (2) Zum zweiten wird die Bedeutung und das Alter eines jüngere Alterationsereignisses untersucht. (3) Es wurden an- hand einer quantitativen Korngrößenanaly an Proben aus Sills und Ströme die Kristallisation dieser basaltischen Körpe als Funktion der Keimbildungsrate und Abkühlun bestimmt (WILHELM, 1994). (4) Zusätzlic wurde das metamorphe Ba- sement (Walker Rocks Nunataks) und Krusten Xenolithe in den alkalinen plio-plei- stozanen Basalten des Ross-Rifts analysiert.2. Ergebnisse
2.1. Basement an den Walker Rocks Nunataks
Walker Rocks Nunatak liegt innerhalb des Wilson Mikrokontinentes, der vor ca. 570 Ma mit dem ostantarktischen Kraton kollidierte. Nach Osten schließe sich weitere Mikrokontinente an. Dies sind der Bowers-Mikrokontinent und der Robertson-Bay- Mikrokontinent.
Die Einheiten des Walker Rocks Nunatak bestehen aus kambrischen (?) Schiefern (Priestley Schists), einer subvulkanischen Einheit (Johnnie-Walker-Formation), und Intrusivgesteinen der Granite-Harbour-Serie. Die subvulkanische Andesit-Rhyolith- Folge wie auch die spätere Granitoide sind geochemisch durch eine Subdukti- onszonen-Charakteristik ausgezeichnet. Diese Gesteine sind somit einer späte Phase der Ross-Orogenese zuzuordnen.
Verhältni der Basalte erlaubt eine Kontamination der Magmen mit maximal 2%
Krustenmaterial. Als möglich Quelle der unbestreitbaren krustalen Komponente in der Zusammensetzung der Ferrar-Flutbasalte bleibt daher ausschließlic die An- reicherung der Magmenquelle durch Subduktion und anschließende Assimilation ozeanischer (?) Kruste (Quellenkontamination). Modellrechnungen haben einen Anteil von 4-8% subduzierten Krustenmaterials an der Genese der Ferrar-Flutba- salte ergeben. Damit ist die alte Kontroverse übe die Genese der angereicherten Spurenelement- und Isotopenzusammensetzungen zugunsten der Deutung durch Quellenkontamination endgülti entschieden!
Als besonderes "Nebenprodukt" der Os-Isotopen-Analysen ergibt sich eine ReOs Gesamtgesteins-Isochrone mit einem Alter von 184
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15 Ma. Dieses Alter ist im Fehler identisch mit den neuesten Ar-Ar-Altern. Diese Isochrone ist die erste ReOs- Isochrone, die an irdischen Gesteinen analysiert wurde. Die wenigen Analysen an Basalten im ozeanischen Milieu zeigen viel niedriger ReIOs-Verhältniss als die der Ferrar Flutbasalte. Zur Zeit sind die hohen ReIOs Verhältniss dieser Gesteine noch völli ungeklärt2.4. Alteration der Flutbasalte
Die groß Variation innerhalb der d 180-Werte, speziell derjenigen der Plagioklase läà sich durch eine thermische Uberprägun erklären Dieses thermische Ereignis ist durch Ar
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Ar Alter von Sekundärminerale bestimmt worden (1 17 Ma) und wird als Folge des Trennungsprozesses von Australien und Antarktis interpretiert. Eine Rb-Sr-Datierung an Alterationsmineralen (Apophylliten) erbrachte keine befriedi- genden Ergebnisse.2.5. Unterscheidung Sill
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Flow durch Analyse der KristallgrößenverteiluDie jurassischen Ferrar-Gesteine in Viktoria-Land (Antarktis) kommen vornehmlich als basaltischelandesitische Flows und Sills vor. Fü beide zeichnen sich charakte- ristische Merkmale sowohl in der Petrographie, als auch in der Geochemie ab, die auf in-situ Differentiationen zurückzuführ sind. Gleichzeitig sind die Korngröß bei der Abkühlun als Sill oder Flow vermutlich in ihrem Verlauf unterschiedlich.
Diese Merkmale wurden exemplarisch an einem mächtige Flow und einem Sill untersucht. Ein dritter Körper in der Literaturmeist als Flow bezeichnet, zeigt weder in der Geochemie noch in der Petrographie Ahnlichkeiten zu einem Flow oder Sill, Bestimmungen der Kernbildungsrate und der Kristallwachstumsraten ergeben je- doch wider erwarten nur bedingt Aufschluà übe die Abkühlung Die Werte fur den Flow liegen bei ca. 10-1 1 bis 10-1 0 cmls fü die Wachstumsraten und 10-4 bis 10-3 KeimeIcm3 X s fü die Keimbildungsraten und stimmen ungefäh mit den in der Lite- raturwerten fü basaltische Lavaseen. Fü den Sill liegen die entsprechenden Werte mit 10-1 3 bis 10-1 2 cmls bzw. 10-7 bis 10-5 Keimelcm3 X s ein bis zwei Grö
ßenordnunge niedriger und in Ausnahmefälle sind die Keimbildungsraten noch geringer. Schwankungen innerhalb der Profile sind jedoch nur beim Sill zu beob- achten und weisen auf Anderungen in den Wachstumsraten hin. Es stellt sich je- doch heraus, da die zur Berechnung fü Wachstums- und Keimbildungsraten not- wendigen Abkühlungszeite die Größenordnu gravierend beeinflussen, gleich- zeitig aber schon von der Annahme abhängen ob die Abkühlun als Flow oder als Sill erfolgte.
3. Schlußfolgerunge
Die Ferrar-Flutbasaltprovinz stellt in ihrer geochemischen und isotopengeochemi- sehen Zusammensetzung einen Extremfall innerhalb der weltweit bekannten Flut- basaltprovinzen dar. Durch sorgfältig Probenaufbereitung (Mineralseparation) sowie Anwendung moderner Analysemethoden (ReIOs-lsotopenanalytik) konnte ein wesentlicher Beitrag zur Genese der Flutbasalte geleistet werden. Als eindeuti- ges Ergebnis steht fest, da eine angereicherte subkontinentale Mantellithosphär als wesentliche Quelle bei der Genese der Ferrar-Magmen anzunehmen ist, so da die Genese der Ferrar-Flutbasalte effektiv als Neubildung juveniler kontinentaler Kruste betrachtet werden kann.
Literatur
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ADIE, R.J. (ed): Antarctic geology and geophysics, 617
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624Faure, G., Bowmann, J.R., Elliot, D.H. & Jones, D.M. (1974): Strontium isotope com- position and petrogenesis of the Kirkpatrick Basalt, Queen Alexandra Range, Antarctica, Contrib.Min.Petrol.; 48,153 -169
Hergt, J.M., Chappel, B.W., McCulloch, M.T., McDougall, 1. & Chivas, A.R. (1991):
Geochemical and isotopic constraints On the origin of the Jurassic dolerites of Tasmania; J.Petrol., 30, 841
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883Hoefs J, Faure G. & Elliot D.H. (1980): Correlation of -180 and Initial 87Srl86Sr Ra- tios in Kirkpatrick Basalt at Mt. Falla, Transantarctic Mountains; Contrib. Min.
Petrol., 75, 1 99
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203Kyle, P.R. (1980): Petrogenesis of Jurassic Ferrar Supergroup tholeiites from the Transantarctic mountains, Antarctica; Magma, 59, 21
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26Mensing, T.M., Faure, G. Jones, L.M., Bowmann, J.R. & Hoefs, J. (1984): Petroge- nesis of the Kirkpatrick Basalt, Solo Nunatak, Northern Victoria Land, Antarctica, based on isotopic compositions of strontium, oxygen and sulfur;
Contrib.Min.Petrol., 87, 101
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108Molzahn, M., Wilhelm, S. & Worner, G. (in prep.): Evidence for arc related magma- tism associated to the accretion of the Wilson Terrane and the subsequent ROSS Orogeny at the Walker Rocks Nunataks, South Victoria Land, Antarc- tica
Wilhelm, S. (1994): Geochemische und quantitativ-petrographische Untersuchun- gen (Kristallgrößenverteilun an Ferrar-Sills und KirkpatrickFlows, Victoria Land, Antarktis; Dipl.-Arb., Universitä Mainz, unveröff
NVL, Gleadow et ai 1984 NVL. Gleadow 8 Fitzgerald 1987 NVL. Fitzgerald 8 Gleadow 1988 NVL, Fitzgerald 1992
NVL, Baiestr~eri et al 1994 NVL, this study
MBL. Richard et al 1994 MBL, Adams et al (pers cornrn ) MBL, this study
MBL: 34 ages NVL: 171 ages
0 50 100 150
Apatite fission track
ages
(AFTA), M aFig. 1: Histogramm der Apatit-Spaltspurenalter von North Victoria Land (NVL) und Marie Byrd Land (MBL)
Wird nur die marine Krustenproduktion im pazifischen Raum ohne den Tethys-Be- reich berücksichtigt ist dieses Oberkreide-Ereignis um 100 Ma noch ausgeprägter Larson führ das thermische Ereignis auf einen Superplume, eine heißere auf- wärtsgerichtet Konvektionsströmun im Erdmantel zurück Das Zentrum dieser Mantelstruktur wurde bei 1 OiOW, 1 OOS mitten im oberkreide-zeitlichen Pazifik re- konstruiert mit einer Ausdehnung von 6000x1 0000 km an der Grenze Lithol Asthe- nosphäre Welcher Zusammenhang besteht jedoch zwischen diesem Superplume und dem im pazifischen Sektor aus dem Häufigkeitsmaximu der Spaltspurenalter abgeleiteten thermischen Ereignis?
Irvine (1989) stellte ein globales Konvektionsgerüs (global convection framework) fü den Erdmantel vor, das die rezent bekannten Plumes in einer ±orthogonale Anordnung verknüpft Diese rotationssymmetrische Anordnung ist analog zum Ma- gnetfeld der Erde und bezieht den rezenten Plume bei den Balleny Islands NNE von NVL mit ein. Kombiniert man die Ergebnisse von Larson mit dem Modell von Irvine, so liegt der von Larson postulierte Superplume der Oberkreide auf dem Ro- tationsäquato des von Irvine entwickelten Modells. Unter der geologisch allgemein akzeptierten Voraussetzung, da die rezenten geodynamischen Mechanismen zumindest währen des letzten Wilson-Zyklus unveränder geblieben sind, folgere ich daraus, da um 100 Ma im pazifischen Sektor der Antarktis ein Superplume existierte (Fig. 2).
Apatit-Spaltspurendatierung in Marie Byrd Land Frank Lisker und Martin Olesch
FB Geowiss., Universitä Bremen, Bremen
Spaltspuren (fission tracks) sind Veränderunge im Kristallgitter, die beim sponta- nen Zerfall von ^U in elektrisch nichtleitenden Kristallen und Gläser entstehen.
Sie könne mittels Anatzen sichtbar gemacht und unter dem Mikroskop ausgezähl werden. Da die Dichte der Spaltspuren proportional zum Akkumulations-Zeitraum
ist und sich die Spuren in Apatiten bei Temperaturen um 100° verkürze bzw.
ausheilen, wird die Spaltspurenmethode als Gesteinsthermochronometer im Nied- rigtemperaturbereich eingesetzt. So lassen sich anhand der Spurendichte Abküh lungsalter von Temperaturen um 100° ermitteln. Darüberhinau liefert die Spu- renlängenverteilun wichtige Informationen übe die thermische Geschichte von Gesteinen, so da unter anderem Aussagen übe HebungsIDenudations-Alter und -Raten getroffen werden können
Währen die Hebungsgeschichte der östliche Riftschulter des Ross-Riftsystems durch detaillierte Untersuchungen in Süd und Nordviktorialand bearbeitet wurde (Gleadow & Fitzgerald 1987, Fitzgerald & Gleadow 1988, Stump & Fitzgerald 1992, Balestrieri et al. 1994), liegen diesbezüglich Daten von der westlichen Riftschulter bisher noch nicht vor. Hierzu wurden zunächs 12 Proben aus den Alexandra Mountains und Rockefeller Mountains (Edward VII Peninsula, Marie Byrd Land;
Abb.l) untersucht. Beprobt wurden ausschließlic Byrd Coast Granite. Dies sind mittelkretazische Leukogranite und Monzogranite, deren K-Ar-Biotit-Alter zwischen 107 und 94 Ma beträg (Wade 8 Wilbanks 1969; Adams 1987).
Unter Verwendung des Dosimeterglases SRM 612 und eines Zeta-Wertes von 350,5
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16,3 wurden mittlere Apatit-Spaltspurenalter zwischen 68,9 und 92,8 Ma bestimmt, welche direkt zu den gemessenen Höhe (210 bis 870 m uber NN) kor- relieren (Abb.2). Ein regionales Muster der Alter ist nicht erkennbar, der Hebungs- prozeà läà sich jedoch in zwei Stufen untergliedern. Die oberhalb einer Höh von 400 m entnommenen Proben weisen ein anderes Abkühlungsverhalte als die Proben unterhalb dieser Höh auf. Das betrifft sowohl die Gesteine der Alexandra Mountains als auch die der Rockefeller Mountains.1. Die Apatit-Spaltspurenalter der Proben übe 400 m kommen dem K-Ar-Alter der Granite sehr nahe und liegen zwischen 81,2 und 92,8 Ma. Die Spaltspurenalter nehmen zu mit steigender Höhe Die mittlere Spaltspurenlange (confined tracks) beträg 13,4 mm mit Standardabweichungen zwischen 1,O und 2,3 mm (Abb.2).
Die Steigung der empirischen Regressionsgeraden belegt eine scheinbare Hebungs-rate von 81  5 m/Ma. Die Verteilung der Spurenlänge spricht fü eine länger Verweildauer des Materials in der PAZ (partial annealing zone), dem Temperaturbereich zwischen 120 und 60°C wo es zu einer Ausheilung der Spaltspuren und damit verbundenen Verkürzun der Spurenlänge kommen kann.
Offensichtlich befanden sich die Proben länger Zeit im unteren Bereich einer PAZ, möglicherweis im Basisbereich, bis es im Zuge der spätkretazische Hebung zur weiteren Abkühlun kam.
Sulzberger Bay
Alexandra
Mts.
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