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Research Collection
Doctoral Thesis
Numerical modelling of crustal growth in subduction zones and
intra-cratonic settings
Author(s):
Vogt, Katharina
Publication Date:
2013
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-009919610
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
DISS. ETH NO. 21139
NUMERICAL MODELLING OF CRUSTAL
GROWTH IN SUBDUCTION ZONES AND
INTRA–CRATONIC SETTINGS
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
KATHARINA VOGT
M.Sc. in Earth Sciences, Ruhr Universität
Bochum, Germany
born on November 30, 1982
citizen of Germany
and Poland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Taras V. Gerya, examiner
Prof. Dr. Paul Tackley, co-examiner
Dr. Jeroen van Hunen, co-examiner
2013
Abstract
Crust formation has important implications for the system Earth as a
whole. Its growth is generally related to arc magmatism in subduction
zones and intra-plate settings, or to the mechanical addition of various
crustal units along its active margins. Several of these aspects and related problems are addressed in this thesis, by means of computational
geodynamic modelling.
Based on 2-D numerical thermomechanical-petrological models, it is
shown that melt production in ocean-continent subduction zones is a strong
function of rheological plate coupling and tectonic setting. Partial melting
of different lithologies can result in juvenile crust production or crustal
recycling, forming a vast variety of different arc magmas. The latter is attributed to partial melting of tectonic rock mélanges at depth, composed
of sediment, basalt and hydrated/serpentinized mantle, forming composite diapirs that rise through the mantle prior to emplacement at crustal
levels. It is demonstrated that partial melting of such composite diapirs
yields granodioritic melt with variable isotopic signatures, typical for many
subduction-related intrusions.
Subduction/collision of oceanic plateaus embedded in oceanic lithosphere was investigated numerically in an ocean-continent subduction zone
and shown to result in rapid growth of the continental crust. The convergence of oceanic plateaus and a continental margin reveal a wide range
of accretion modes, controlled by the rheology of the oceanic plateau and
the age of the surrounding lithospheric plate. Oceanic plateaus may block
a subduction zone, be scraped off the downgoing slab, or underplate the
continental crust. The tectonic responses to terrane accretion might be
complex and include, enhanced melt production, surface uplift and compression, slab break off, subduction zone transference, termination of subduction, eduction of crustal material and (U)HP terrane formation. The
incorporation of ophiolites into sedimentary sequences is demonstrated to
be critically controlled by the existence of a weak subcrustal serpentine
horizon that is believed to have evolved in relation to bending related
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ii
ABSTRACT
faulting. Basal detachment of the oceanic crust along this layer, leads to
imbrication and emplacement of oceanic crust within accretionary complexes or on land exposure, while the ”skinned” slab sinks into the mantle.
This process is likely to have implications on arc-magmatism and accretionary tectonics.
Nevertheless, crustal growth is not only attributed to subduction zone
settings, but may occur far away from present day plate boundaries’. In
a study on Intra-Cratonic deformation it is shown that structural complexity arises in compressed lithosphere with lateral heterogeneities, which
is sensitive to lithospheric age and tectonic setting. Crustal reworking of
these settings influences localization of deformation, topographic evolution, melt generation, and melt intrusion, revealing a surprisingly large
range of instabilities.
Lastly, a brief study is presented on magma rise and emplacement,
based on a 3-D thermomechanical model. The preliminary results of this
study emphasize that the properties of the overlying crust determine how
and where magma is stored.
Kurzfassung
Die Bildung kontinentaler Kruste hat bedeutende Auswirkungen auf das
gesamte System Erde. Tragende Mechanismen der Krustenbildung sind
Inselbogen- und Intraplatten-Vulkanismus, aber auch die mechanische Anlagerung unterschiedlicher Krusteneinheiten entlang der aktiven Plattengrenzen. Einige dieser Aspekte und die damit verbundenen Probleme
werden in dieser Arbeit anhand von numerischer, geodynamischer Modellierung diskutiert.
Basierend auf thermomechanisch - petrologischen 2-D- Modellen wird
gezeigt, dass die Produktion von Schmelze in Ozean-Kontinent Subduktionszonen stark von der Rheologie der Platten sowie vom tektonischen
Umfeld beeinflusst wird. Das partielle Aufschmelzen unterschiedlicher Gesteine kann zur Bildung neuer Kruste oder zum Recyceln alter Krustenanteile führen, wobei eine grosse Anzahl unterschiedlicher Magmen entstehen kann. Letzteres zeichnet sich aus durch das partielle Aufschmelzen
einer tektonischen Gesteins-Mélange, bestehend aus Sediment, Basalt und
hydratisiertem/ serpentinisiertem Mantel. In asthenosphärischen Tiefen
kann das partielle Aufschmelzen der Mélange Diapire hervorbringen, die
durch den Mantel bis auf Krustenniveau aufsteigen. Es wird gezeigt, dass
das partielle Aufschmelzen solcher Diapir-Gemische Schmelze mit granodioritischer Zusammensetzung hervorbringt die eine variable Isotopensignatur
aufweist, typisch für viele Subduktionsintrusionen.
Die Subduktion und Kollision ozeanischer Plateaus, eingebettet in ozean
ischer Lithosphäre, wurde anhand einer Ozean-Kontinent-Subduktionszone
numerisch untersucht, und es wird gezeigt, dass dieser Prozess zu einem
schnellen Wachstum der kontinentalen Kruste führen kann. Die Kollision ozeanischer Plateaus mit aktiven Kontinentalrändern zeigt eine grosse
Bandbreite von Akkretions-Typen auf, die durch die Rheologie der ozeanischen Plateaus und dem Alter der umgebenden Lithosphäre kontrolliert
werden. Ozeanische Plateaus können eine Subduktionszone blockieren
oder von der abtauchenden Platte geschert werden, sich unter der kontinentalen Kruste anlagern oder in grössere Tiefen subduziert werden. Die
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iv
KURZFASSUNG
tektonischen Auswirkungen der Akkretion von Terranes können komplex
sein. Sie können einhergehen mit verstärkter Schmelzbildung, Kompression und Hebung der Geländeoberfläche, einem Abreissen der subduzierten
Platte, einer horizontalen Verlagerung der Subduktionszone, einem Stopp
des Subduktionsprozesses, der Obduktion von Krustenmaterial sowie der
Bildung von Terranes unter (Ultra-)Hochdruck Bedingungen. Desweiteren
wird gezeigt, dass die Eingliederung von Ophioliten in sedimentäre Sequenzen stark von der Existenz eines subkrustalen Serpentinhorizonts abhängt.
Es wird angenommen das sich solche Serpentinitlagen im Zuge der Biegung
der abtauchenden Platte bilden können. Die Abkoppelung der ozeanischen
Kruste entlang dieser Schwächezone führt zur Fragmentierung der Kruste
sowie zur Abtrennung und Anlagerung dieser Fragmente innerhalb der
Akkretionskomplexe, während die ozeanische Lithosphäre in den Erdmantel subduziert wird. Es wird vermutet, dass ein solcher Prozess Auswirkungen auf den Inselbogenmagmatismus und die Akkretionstektonik hat.
Krustenwachstum ist jedoch nicht nur auf Subduktionszonen beschränkt,
sondern kann auch fernab der heutigen Kontinentalränder vorkommen. Es
wird gezeigt, dass die Kompression heterogener Kruste in einer Vielfalt
struktureller Komplexitäten resultieren kann, abhängig von dem Alter der
Platte und dem tektonischen Rahmen. Das Aufarbeiten dieser Gebiete
führt zu einer grossen Bandbreite an Instabilitäten. Das hat Einfluss
auf die Deformation, topografische Entwicklung, Schmelzbildung sowie die
Magmenplatznahme.
Basierend auf thermodynamischen 3-D Modellen, wird abschliessend
der Aufstieg von Magma und dessen Platzeinnahme innerhalb der Kruste
untersucht. Die vorläufgen Resultate dieser Studie zeigen, dass die Platzeinnahme von Magmen stark durch die rheologischen Eigenschaften der kontinentalen Kruste beeinflusst wird.