Im Rahmen der Dissertation wurden an Wässern und freien Gasen aus Thermalquellen sowie an weniger als 5 Millionen Jahre alten basischen Vulkaniten des zentralandinen Puna-Hochplateaus (NE-Argentinien) umfangreiche element- und isotopengeochemische Untersuchungen durchgeführt und die Edelgasgehalte und -isotopensignaturen in diesen Medien bestimmt. Damit soll ein Beitrag zum besseren Verständnis der jüngeren Subduktionsgeschichte im Bereich der südlichen Zentralanden geleistet, die Wechselwirkungen zwischen ozeanischer Unter- und kontinentaler Oberplatte sichtbar gemacht und die Edelgassystematik verbessert werden.
Wie die Ergebnisse der Untersuchungen an Gasen aus den Thermalquellen der Puna-Region zeigen, ist der Anteil an Mantel-Helium in den Thermalquellen dieser Region mit bis zu 67 % wesentlich höher als in der westlich gelegenen vulkanisch aktiven Westkordillere und den anderen angrenzenden Gebieten. In einigen Quellen konnten sogar Anteile an Mantel-Neon nachgewiesen werden, was aufgrund von Überlagerungen mit Neon atmosphärischen und krustalen Ursprungs weltweit bisher nur vereinzelt gelungen ist. Für kontinentale Bereiche mit großer Krustendicke ist ein solch starker Mantelgasfluss äußerst ungewöhnlich und bedeutet, dass Mantelschmelzen bis in die Kruste aufgedrungen sind und tief reichende Wegsamkeiten existieren, so dass die Mantelgase aufsteigen können, ohne stark krustal beeinflusst zu werden. Dass im Bereich der Puna rezent Mantelmaterial in die Kruste aufsteigt, zu diesem Ergebnis kommen auch aktuelle seismologische Untersuchungen.
Zudem wurden junge, vorwiegend monogenetische Basalte bis basaltische Andesite geochemisch auf ihre Haupt-, Neben- und Spurenbestandteile sowie ihre Gehalte an Seltenenerdenelementen hin untersucht. Auch wurden die Isotopenverhältnisse von Sr, Nd und Pb in den Gesteinen bestimmt und petrographisch-mineralogische Analysen der darin enthaltenen Olivine und Pyroxene durchgeführt. Wie die Resultate belegen, haben die Magmen bei ihrem Aufstieg durch die Erdkruste insbesondere Material aus der Oberkruste assimiliert und sind zudem durch Fluide aus der abtauchenden Platte beeinflusst worden. Damit konnte gezeigt werden, dass einfache geochemische Methoden allein nicht ausreichen, um die Mantelquelle der Magmen ermitteln oder Aussagen über die Asthenosphärendynamik in der Region machen zu können.
Im Gegensatz dazu zeigen die Messungen der Edelgasisotopenverhältnisse in den Fluideinschlüssen der Olivine und Pyroxene, dass deren Edelgaszusammensetzung nicht durch Krustenkontamination beeinflusst wurde, weil die Magmen erst nach der Olivin- bzw. Pyroxen-Kristallisation Schmelzen aus der Oberkruste assimiliert haben.
Darüber hinaus konnten durch die Edelgasisotopenmessungen die bisher höchsten magmatischen He- und Ne-Isotopenverhältnisse von ganz Südamerika nachgewiesen werden. Aus der unterschiedlichen Höhe der Messwerte ist zu schließen, dass die im Osten der Puna vorkommenden älteren Laven aus einem nichtkonvektiven (lithosphärischen) Mantel stammen, während die am vulkanischen Bogen und Westrand der Puna gelegenen jüngeren Laven, ihren Ursprung in einer konvektiven (asthenosphärischen) Mantelquelle haben. Zudem konnte gezeigt werden, dass der Mantelgasfluss in der Region in den letzten 5 Millionen Jahren stark zunahm und sich die Eruption von mantelstämmigen basischen Laven in dieser Zeit kontinuierlich in westliche Richtung zum aktiven Vulkanbogen hin verlagerte.
Im daraus abgeleiteten Modell beruht dieser Prozess (1) auf einer an die Kontinentalverschiebung gekoppelten W-Drift des Kontinents und (2) auf einem mit der Versteilung der Unterplatte verbundenen Vordringen des subkontinentalen asthenosphärischen Mantels nach W, nach dem Ende der Subduktion des unterseeischen aseismischen Juan Fernández-Rückens in der Region.
Zudem gibt es starke Argumente dafür, dass die asthenosphärischen Magmen aus einer fluidreichen Zone in 500 – 600 km Tiefe parallel zur subduzierten Platte aufsteigen und nicht, wie bisher angenommen, durch Schmelzbildung in Bereichen unter 200 km Tiefe, allein durch Entwässerung der abtauchenden Platte erzeugt werden. Zu diesem Resultat führt vor allem die Kombination der He-Isotopenverhältnisse mit Ergebnissen seismologischer Untersuchungen. / This study has determined the concentrations and isotopic composition of noble gases in water and gas samples from thermal springs and in samples of post Miocene basic volcanic rocks from the central Andean Puna Plateau (NW Argentina). The aim of this study is to shed light on questions related to the Neogene subduction history, the geochemical relationship between the oceanic and continental plate and on the distribution of noble gases in mantle-derived rocks of the Central Andes.
The results of the geothermal water study show that the Puna plateau has higher values of mantle-derived He between 22° and 26° S compared to the neighbouring Western and Eastern Cordilleras. The highest 3He/4He ratio (5,4 Ra) was obtained close to the Tuzgle volcano, and this is rather high for back-arc gases considering they have ascended through a relatively thick 65 km crust, enriched in crustal 4He. In some cases it was also possible to detect the presence of mantle-derived Ne, which has so far only been demonstrated in a few locations around the world, because of the ubiquitous contamination by atmospheric- and crustal-Ne. Hence, this study clearly demonstrates a higher flux of noble gases from the mantle in the Puna Plateau region than in nearby regions of the Altiplano, the Salta-Rift and the Eastern and Western Cordilleras.
In addition to the water study, a series of samples from post Miocene basic volcanic rocks in the Puna back-arc region were analyzed for major, minor and trace element composition as well as Sr, Nd and Pb isotopic ratios. Mineralogical analysis of olivine and pyroxenes from the lavas show that the rocks compositions have signatures that vary depending on the distance from the volcanic arc. Accordingly, magma compositions reflect processes that took place in the subduction-modified mantle wedge and the overlying continental plate.
During their ascent, most of the magmas were contaminated with acid crustal melts that mask the geochemical signature of their mantle sources. This makes it difficult to accurately reconstruct the specific geotectonic setting for the magmas and their related mantle sources from the whole rock compositions. However, it is possible to put limits on the origin and amount of contamination from the Pb, Nd and Sr isotopic data. The results show that contaminants are mainly from the upper mantle. Mixing models suggest degrees of crustal assimilation on the order of 10 % and less.
Given the problems of interpreting conventional geochemical studies on the origin of the back-arc magmas as just described, the combination of whole rock geochemical results with the corresponding noble gas data is potentially very important. For this purpose, olivine and pyroxene mineral separates mechanically and thermally degassed in order to measure their noble gases content and isotopic ratios.
As the results show, the He isotopic signatures in the rocks are quite variable (4,5 - 8,1 Ra), depending on the age and distance to the volcanic arc. Whereas the samples nearest to the arc have MORB-type 3He/4He > 7 Ra, those farthest from the arc have 3He/4He < 7 Ra similar to the typical signature of a subcontinental lithospheric mantle (SCLM). The youngest Puna lavas have the highest primordial 3He/4He ratios and therefore the highest values for mantle-derived He yet found in the whole Andes chain. This implies that the mantle gas flux in the Puna region has increased since the Pliocene while during the same time interval, the focus of back-arc volcanic activity migrated progressively west towards the position of the present volcanic arc. This migration can be correlated with steepening of the subducted slab and advance of the asthenospheric mantle wedge to the west as a consequence of the drift of the Juan Fernández ridge towards the south.
A consequence of the westward drift of the subduction zone at ca. 26 km/Ma is the ascent of asthenosphere into the mantle wedge. Geophysical studies suggest that this material ascends parallel to the slab (return flow). The He isotopic signatures from this study show that the asthenospheric ascent was not spacious but took place along certain channels or branches that may relate to deep-reaching weak lithospheric zones but not to a widespread delamination in the SCLM.
The isotopic He, Ne and Xe relations of the lava samples collected in the back-arc region far from the volcanic arc indicate the presence of SCLM during back-arc volcanism in this region, which is a grave argument against a crustal delamination. Crustal contamination could not have been responsible for these values as the assimilation of crustal melts essentially took place after the olivine crystallization, as indicated by the variations in Sr- and He-isotope data and the coexistence of quartz and olivine in the samples.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:2020 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Pilz, Peter |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Geowissenschaften |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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