Vulkanite der Südshetland-Insel und der Bransfield-Straß
8. Quartäre Magmatic-Arc-Vulkanismus am Beispiel der Livingston- und Penguin-Insel
8.3. Eintrag von Sediment in den Mantel
8.3.1. Sedimenteintrag am Akkretionskeil und in dem unterlagernden Mantel Die Subduktion ozeanischer Kruste im Südshetland-Grabe erfolgt heute sehr lang- sam. Die schwache Seismizitä (PELAYO & WIENS, 1989) und der flache Graben am Fuà der Südshetland-Insel (LARTER, 1991; HENRIET et al., 1992) geben darauf Hinweise. Die Kon- vergenzrate liegt bei ca. 7 mm pro Jahr (abgeleitet aus den GPS-Daten von MAYER et al., 2000). Bei einer höhere Konvergenzrate wär eine etwas stärker seismische Aktivitä zu erwarten. Der Akkretionskeil des Südshetland-lnselbogen zeigt Internstrukturen einer nor- malen Anwachszone. In den seismischen Profilen von LARTER (1991), HENRIET et al. (1 992), TROUW & GAMBOA (1992) und GRAD et al. (1993) lassen sich Abscherhorizonte und Rampen erkennen, an denen Sediment vom Sedimentstapel abgelös und von unten an den Akkreti- onskeil angelagert werden.
Die Gröà des Sedimenteintrags wird von der Subduktionsrate, dem AbtaŸchwinke der ozeanischen Platte und vom tektonischen Druck auf den Bogen bestimmt. An der Stirn- front des Akkretionskeils wird ein Teil des Sediments abgeschert und angelagert. Ein Groß teil der verbleibenden Sedimentfracht wird von VON HUENE & SCHOLL (1993) zufolge zusätz lich im tieferen Bereich des Akkretionskeils, unterhalb der Subduktionszone angelagert (,,un- derplating").
Der Sedimentanteil, der weder dem Akkretionskeil angelagert noch unterlagert wird, gelangt mit der abtauchenden Platte in die Quellregion der Arc-Magmen im Mantel unterhalb des Inselbogens. Im Mantelkeil oberhalb der abtauchenden Platte geht im allgemeinen nur ein kleiner Teil von wenigen Prozent der gesamten Sedimentfracht in die Schmelzbildung mit ein (VON HUENE & SCHOLL, 1993). In Modellrechnungen ermittelten KELLER et al. (1991) einen Sedimentanteil von 0,5 bis 2 % im primäre kalk-alkalinen Magma.
8.3.2. Die Lithologie der Sedimente im SŸdpazifi nahe der Antarktischen Halb- insel
Sedimente im Bereich des Südostpazifik wurden seit Einführun des ODP bzw. DSDP an verschiedenen Stellen untersucht (Abbildung 8.2). Die geochemische Zusammensetzung der am Südshetland-Grabe subduzierten Sedimente wurde dagegen bislang nicht erforscht.
Es ist anzunehmen, da nur die der abtau-
Abb. 8.2: Sedimentationsräum im Südostpazifi nach TUCHOLKE & HOUTZ (1976).
1: Tiefsee, 2: Becken der Bellingshausen-See, 3: Unterer Kontinentalhang, 4: Palmer-Rücken 5: Zentraler Kontinentalhang,
6: Oberer Kontinentalhang, 7' Fu des kontinen- talen Schelf, 8: Kontinentaler Schelf,
9: Tiefsee-Channels gestrichelt - inaktiv, durchge- zogen - aktiv.
chenden Platte direkt auflagernden Sedi- mente in den Bereich der Schmelzbildung gelangen. Da bislang Daten aus Bohrker- nen nahe dem Südshetland-Grabe fehlen, verwende ich hier Daten aus dem nahege- legenen DSDP Leg 35.
Währen dem DSDP Leg 35 wurden nahe der Antarktischen Halbinsel vier Boh- rungen niedergebracht, um die Lithologie der Sedimentauflage und der unterlagern- den Basalte auf der pazifischen Platte zu gische Einheiten unterteilen (HOLLISTER et al.,1976a). Die oberste Einheit besteht aus einer Wechselfolge von unverfestigten o-
ber-mioz2nen bis holozäne terrigenen Feinklastika und Diatomeenschlämmen D i e zweite Einheit zerfallt
In
eine Abfolge von mittel-W,' ,? W, =T bis obermiozäne terrigenen bis pelagi- schen Tonsteinen. Die dritte Einheit setzt sich aus einer Abfolge von unter- bis mit-
, telmiozäne Feinklastika zusammen. Die unterste Einheit bilden pelagische oligozän bis unter-miozän Tonsteine. In den Ton- steinen befinden sich nur Spuren terrigenen Detritus' (VENNUM, 1976). Die unterste Ein- heit aus pelagischen Tonsteinen liegt dem im Untergrund erbohrten Basalt auf.
Die Sedimente und Sedimentgesteine in Bohrloch 325 lassen sich nach HOL-
*>. 25. G<.. 5,. LISTER et al. (1976b) in zwei lithologische
Einheiten unterteilen. Die Lithologie beider
Abb. 8.3: Tektcn~sche Karte des Südostpazifik nach Einheiten zeigt deutlich den erwarteten kon- TUCHFLKE & HOUTZ (1976). tinentalen Einfluß Die oberste Einheit weist Wechselfolgen von mittelmiozäne bis quartäre Feinklastika auf. Der terrigene Einfluà stellt sich deutlich in den Gesteinsbruchstü cken eis-transportierte Metamorphite aus dem Bereich der Antarktischen Halbinsel, dar. Die Lithologie der Sedimente der unteren Einheit kann aus Ausläufer von Trübeström (,,turbi- dity currents") am Kontinentalhang abgeleitet werden.
Zusammenfassend kann im Mittel aus beiden Kernen gesagt werden, da der terrige- ne Eintrag in beiden Kernen von oben nach unten hin abnimmt. Dem Basalt lagern überwie gend pelagische Tonsteine auf.
8.3.3. Geochemie der Sedimente von Leg 35
Die chemische Zusammensetzung der Sedimente (Leg 35) hat einen wichtigen Einfluà auf die Geochemie der Magmen in der Subduktionszone. Die Sedimente der Bellingshausen-Platte von Leg 35 stehen hier stellvertretend fü die Sedimente der Aluk- Platte. Auf isotopen-geochemische Untersuchungen an den Sedimenten von Leg 35 wurde bislang verzichtet, weshalb sich die verwendete Datenmenge auf die Verteilung von Haupt- Spuren- und Seltenerdelementen beschränkt
Die Mineralogie der tonigen Komponente in den basalen Sedimenten läà darauf schließen da es sich hier um ein eisenreiches Tiefseesediment nahe einem Spreizungsrü cken mit einem Eintrag von vulkanischem Material (CRADDOCK & HoLLISTER, 1976, DONNEL- LY & WALLACE, 1976) handelt. Die Rücke der Drake-Passage waren frühe Teil des Antark- tis-Phönix-Rücke (MCCARRON & LARTER, 1998), wodurch eine analoge Geochemie der Basalte beider Rückensystem anzunehmen ist.
Der meßbar terrigene Einfluà im Sediment wird durch eine intensive hydrothermale Aktivitä nahe dem ozeanischen Rücke (DONNELLY & WALLACE, 1976) überlagert Das Spu- renelement-Spektrum der basalen Sedimente veränder sich durch aus dem unterlagernden Basalt herausgelöst Elemente. Der terrigene Einfluà in den feinkörnige basalen Sedimen- ten im Kern 322 zeigt sich in erhöhte Gehalten an A1203 (15,l-15,6%), Ti02 (0,7-0,8%) und Zr (59-61 pprn) im Vergleich zum übrige Sediment. Die Größenordnu der A1203- und TiOs-Gehalte im basalen Sediment spiegelt die Gehalte in Ozeanboden-Tholeiiten wieder.
Die basalen Sedimente weisen eine deutliche Anreicherung von Fe2Osioi (8,09-9,14 %), M n 0 (0,90-1,50 %), P205 (0,41-0,55 %), Ba (1 160-2100 ppm),Y (14-16 ppm) und weniger deutlich eine Anreicherung von Rb (56-90 ppm) auf, was auf eine hydrothermale Alteration zurückzu führe ist. Die vergleichsweisen hohen K20- (3,57-4,71 %) und niedrigen Na20-(1,55-1,68
%)-Werte lassen auf einen erhöhte Eintrag vulkanischen Materials schließen Palagonit aus
vulkanischen Eruptionen besitzt erhöht K20-Gehalte. Stark verringerter Eintrag terrigenen Detritus zeichnet sich im geringen Plagioklas-Gehalt nach, was sich wiederum im erniedrig- ten Na20-Gehalt des Sediments bemerkbar macht. Die hohen Ce-Gehalte (68 ppm im Mittel) sind typisch fü feinklastische, eisenreiche Ozeanboden-Sedimente. Der Sedimenteintrag in die Quellregion der Arc-Vulkanite der Südshetland-Insel zeigt im Mittel geringere Ce- Gehalte (14-16 ppm) im Basalt als die vergleichbaren Back-Arc-Vulkanite (20 bis übe 50 pprn). Die nur schwach angedeutete Ce-Anomalie in den Arc-Basalten der Südshetland Inseln
-
im Vergleich zu den Arc-Basalten des Marianen-Bogens von HOLE et al. (1984) - läà sich auf den Eintrag Ce-reichen Sediments am Südshetland-Grabe zurückführe Deut- lich wird der Einfluà der abtauchenden Kruste im Bleigehalt der Vulkanite. Die Arc-Vulkanite der Südshetland-Insel enthalten deutlich höher Bleigehalte als die zugehörige Back-Arc- Vulkanite. Die erhöhte Bleigehalte leiten sich durch den Eintrag von hydrothermal angerei- chertem Blei in der Kruste ab.Die hydrothermal verändert Signatur des basalen Sedimentes wird durch die auf der abtauchenden Aluk-Platte gebildeten Schmelzen mit in den hangenden Mantel der Antarkti- schen Halbinsel transferiert und träg so mit zu einer ,,Ozeanboden-Signatur'' in den Arc- Vulkaniten der Südshetland-Insel bei.