Marine Geowissenschaftliche Untersuchungen zum In- und Output der Kermadec Subduktionszone 

Laufzeit: 1.1.2007 - 30.4.2009

Förderer: BMBF

Mitwirkende Institutionen: IFG Kiel, GNS

Im Rahmen des Forschungsprojektes MANGO (Marine Geowissenschaftliche Untersuchungen zum In- und Output der Kermadec Subduktionszone) wurden marin-geophysikalische Untersuchungen mit FS SONNE entlang der Kermadec Subduktionszone, zwischen der Nordinsel Neuseelands und Raoul Island durchgeführt. Während der Fahrt SO 192-1 wurden - neben bathymetrischen und Magnetfeldmessungen – refraktionsseismische und reflexionsseismische Daten mit dem Ziel gewonnen, strukturelle Wechselwirkungen zwischen Unter- und Oberplatte zu untersuchen. 

Geophysikalische Untersuchungen der nördlichen Hikurangi Subduktionszone nordöstlich von Neuseeland mit den MANGO-Daten bilden den Forearc und die umgebenden lithosphärischen Strukturen ab. Ein seismisches Geschwindigkeitsfeld (Vp) wurde mit seismischen Weitwinkeldaten bestimmt, und die strukturelle Interpretation wurde unterstützt von seismischer Mehrkanal-Reflexionsstratigraphie sowie Schwere- und Magnetik-Modellierungen. Dabei stellte sich heraus, dass das subduzierende Hikurangi Plateau eine 2-km mächtige Sedimentschicht über einer 2-km mächtigen Schicht aus vulkanischen Klasten, losem Kalkstein und Kies trägt. Die obere Plateaukruste hat eine seismische Geschwindigkeit von 4.9-6.7 km/s über eine unteren Kruste mit Vp>7.1 km/s. Die Schweremodellierung ergibt eine Plateau-Mächtighkeit von ca. 10 km. Das reaktivierte Raukumara-Forearc-Becken ist über 10 km tief auf einer 5-10 km mächtigen australischen Kruste. Der Forearc-Mantel, mit Vp>8 km/s, erscheint unbeeinflusst durch Subduktions-Hydrierungs-Prozesse. Unter dem East Cape Rücken (Forearc-Hoch) liegt bei 3.5 km Tiefe eine stark magnetische Hochgeschwindigkeitszone, die als Teil des an Land befindlichen vulkanischen Matakaoa-Allochthon und/oder als aufgeschobenes Raukumarabecken-Grundgebirge von wahrscheinlich ozeanischen Krustenursprungs interpretiert wurde. Unter der Tiefseegrabensteigung befindet sich Material mit langsamen seismischen Geschwindigkeiten, hoher Wellendämpfung und niedriger Dichte, was als akkretiertes und recyceltes Material interpretiert wurde und andeutet, dass Underplating und Hebung den East Cape Rücken destabilisieren und Hangrutschungen nach zwei Seiten auslöst. Eine Massenbilanz zeigt, dass das akkretierte und recycelte Material 25-100% des gesamten reinkommenden Sediments ausmacht, wovon der Rest durch Erosion von älterem akkretierten Material in die umliegenden Becken erklärt werden kann. Dadurch würde sich ergeben, dass der Abtrag von kontinentalem Material in den Mantel an Subduktionszonen erheblich überschätzt wurde, weil Underplating unter Forearc-Hochs bislang nicht angemessen berücksichtigt wurde. Eine detaillierte Darstellung der Ergebnisse ist in Scherwath et al., 2010, J. Geophys. Res. enthalten. 

Die seismischen Refraktionsdaten des MANGO Projekts sind zusammen mit seismischen Reflexionsdaten genutzt worden, um Krustenstrukturen zu bestimmen, ein Forearc-Becken mit 12 km mächtigen Sedimenten zu kartieren, und einen Subduktions-Thrust bis in 35 km Tiefe abzubilden. Seismische Reflexionsmegasequenzen innerhalb des Beckens korrelieren mit der Geologie an Land: Megasequenz X, marine passive Kontinentalrandsedimente der späten Kreide und des Paläogen; Megasequenz Y, eine 10000 kubic-km Meeresbodenrutschung während der Initiierung der Subduktion vor 22 Ma; und Megasequenz Z, eine Subduktionszonenrandsequenz aus dem Neogen. Die Moho liegt bei 17 km Tiefe unter dem Zentralbecken und bei 35 km Tiefe am südlichen Rand. Unterhalb des westlichen Beckenrandes liegen vermutlich reflektive Einheiten der Gondwana-Forearc-Sedimente, die während der Kreide über die 7-km mächtige ozeanische Kruste geschoben wurden. Das Raukumara Becken zeigt Abschiebungen am westlichen Rand und ist entlang seines östlichen und südlichen Randes gehoben. Das Raukumara Becken stellt einen rigiden Forearc-Block von >150 km Länge dar, der den weit verbreiteten Störungen und Rotationen des Neogen im Süden entgegensteht. Die Feinstrukturen der allochthonen Megasequenz Y entsprechen eher einer westwärts oder nordwestwärts gerichteten Ablagerung, und widersprechen damit der vorgeschlagen Südwestwärtsbewegung des entspechenden Allochthons an Land. Die räumliche Korrelation zwischen den Gesteinshebungen der östlichen und südlichen Beckenränder und dem Schnittpunkt von Moho und der  subduzierten LIthosphärenplatte deutet darauf hin, dass krustales Underplating durch die Forearc-Krustenmächtigkeit angepasst wird. Die Tiefseegrabenhang hat viele kleine Dehungsstörungen und keine kohärenten internen Reflektoren, was auf Abbrechen von verhärteten Gestein hinweist, an Stelle einer Akkretion von >1 km mächtigen Sedimenten der reinkommenden Platte. Fehlende vulkanische Einschlüsse östlich des aktiven Arcs und der stratigraphische Nachweis der Erweiterung des Forearcs mit der Zeit deuten auf Forearc-Akkretion seit 22 Ma hin. Es wird ein Kreislauf der Forearc-Kinematik vorgeschlagen, in dem das Gestein durch den Subduktionskanal in die Nähe der Krustenbasis transportiert wird, wo Underplating zu Gesteinhebung führt, der Tiefseegrabenhang zu steil wird und Richtung Graben und Subduktionskanal kollabiert. Dieser Gesteinspartikelkreislauf führt zu stetiger Senkung des Tiefseegrabenhanges während der Akkretion. Globale Schätzungen von Forarc-Verlust sind systematisch zu hoch, da sie nur von vertikalen Partikelbewegungen ausgehen. Weitere Details sind in der Veröffentlichung Sutherland et al., 2009, Tectonics, aufgeführt. 

Seismische Weitwinkeldaten von der zentralen Tonga-Kermadec-Subduktionszone bestimmen die Strukturen der reinkommenden pazifischen Platte und dem überliegenden australischen Arc in der Nähe des aktiven Arc-Vulkans Raoul Island bei 29° Süd. Die subduzierende pazifische Platte ist 5-6 km mächtig mit Geschwindigkeiten von 5.2-6.9 km/s sowie isolierten Zonen verringerter Geschwindigkeiten und ist bedeckt mit bis zu 100 m mächtigen Sedimentpaketen. Der darunter liegende pazifische Mantel hat eine seismische Geschwindigkeit von 7.4 km/s. Diese allgemein niedrigen Geschwindigkeiten in Kruste und Mantel zeigen eine erhebliche Veränderung der rauen und gebrochenen reinkommenden Platte, welche somit wahrscheinlich einen höheren Anteil von freiem Wasser in die Subduktionszone einbringt. Die Arc-Kruste ist ungefähr 12 km mächtig mit Geschwindigkeiten von 4.2-7.0 km/s und einer 40-km weiten Region verringerter Geschwindigkeiten direkt über der Kontaktzone mit der subduzierten Kruste. Die Sedimente auf dem Arc sind durchschnittlich ca. 1 km mächtig und bilden ein bis zu 3 km tiefes und 90 km breites Forearc-Becken. Der Mantelkeil hat eine seismische Geschwindigkeit von 7.5-7.7 km/s, was niedriger als typischer Arc-Mantel ist. Diese niedrigen Geschwindigkeiten werden als Ergebnis von Serpentinisierung des vorderen Arc-Mantels angesehen, verursacht durch die hohe Menge an reinkommendem freien Wasser. Diese Ergebnisse demonstrieren die Möglichkeit, dass auch in Regionen ohne viel subduzierendes Sediment relativ viel freies Wasser in Subduktionszonen eingeführt werden kann. 

Um 34.5° und um 33° Süd befinden sich zwei weitere Datenprofile des MANGO Projekts. Diese beiden Profile der zentralen Kermadec-Subduktionszone decken den australischen Arc zu beiden Seiten des Kermadec-Rückens ab. Trotz der relativen Nähe dieser beiden Profile zeigen die Ergebnisse einige Unterschiede auf. Im Back-Arc-Bereich ist die Kruste am nördlichen Profil deutlich verdünnt, was auf eine durch Rifting gestreckte Kruste schließen lässt. Auch die Wassertiefen sind größer als beim südlichen Profil, wo auch die Back-Arc-Kruste deutlich mächtiger ist. Dieser südlichere Teil weist auch verringerte seismische Geschwindigkeiten im oberen Mantel auf (7.6 km/s statt 7.9 km/s wie im Fore-Arc-Bereich), was eventuell auf thermische Streckung hinweist, die mit einer Veränderung des Arc-Vulkanismus einhergeht. 

Weitere Ergebnisse von der MANGO-Ausfahrt SO192/1 finden Sie hier.
SO192/1 Fahrtbericht