Izu-Bonin Arc Tephrostratigraphie- Entwicklung, Herkunft und Zyklizitäten (IODP Exp. 350&352)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ablagerungen von hochexplosiven Vulkaneruptionen werden häufig über große Entfernungen verbreitet und bleiben insbesondere in marinen Sedimenten sehr gut erhalten, da die Erosion sehr viel geringer ist als an Land. Dadurch bieten marine Sedimente oft ein nahezu vollständiges Archiv von explosiven Eruptionen einer Region und ermöglichen es die zeitlichen Veränderungen in der Eruptionsaktivität und der chemischer Zusammensetzung zu studieren. Herkunftsanalysen von Tephren in einem zeitlichen Rahmen sind notwendig um potentielle systematische Änderungen der Vulkanaktivität in einem Gebiet zu erkennen. In diesem Projekt wurde die Tephrostratigraphie für sechs IODP Bohrlokationen erstellt, die während der Expeditionen 350 (Sites U1436 und U1437) und 352 (Sites U1439-U1442) im Izu-Bonin Vulkanbogen gebohrt wurden. In den Oligozänen bis Pleistozänen Sedimenten von Expedition 352 wurden 158 primäre Tephralagen gefunden, sowie insgesamt 260 primäre Lagen in den oberen 1.1 Ma von Expedition 350. Die Herkunft der Tephren wurde mit Hilfe von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen der vulkanischen Gläser bestimmt, wobei zunächst zwischen einer Herkunft von der japanischen Vulkanfront und vom Izu-Bonin Vulkanborgen unterschieden wurde. Dreiunddreißig Tephralagen von Expedition 350 stammen von japanischen Vulkanen, die übrigen 227 Tephralagen konnten dem Izu-Bonin Vulkanbogen zugeordnet werden. Zudem konnten elf der dreiunddreißig Ablagerungen von Japan bekannten Plinianischen Eruptionen von Japan zugeordnet werden. Die älteste dieser Eruptionen ist die Shishimuta-Pink Tephra, die durch eine Eruption vor 1,05 Mio. entstanden ist, die jüngste Eruption ist die Aira-Tn Tephra (30.000 Jahre). Die Mehrheit (~75%) der Tephren vom Izu-Bonin Vulkanbogen stammt von der vulkanischen Front, nur ~25% von der aktiven Riftzone. Die Korrelationen von Tephren zu bekannten Eruptionen von Japan bieten exzellente Zeitmarken, die geholfen haben die Altersmodelle zu bestätigen und zu verbessern. Des Weiteren konnten wir die zeitliche Verteilung der Tephralagen und somit der explosiven Eruptionen von Site U1437 in Hinblick auf die andauernde Diskussion der Interaktion von Vulkanismus und Klimaveränderung genauer studieren. Die ungestörte und hohe Sedimentation an der Bohrlokation, sowie ein robustes Altersmodell und eine hohe Anzahl vulkanischer Events, machen diese Sequenz so einzigartig und ermöglichen es die zeitlichen Änderungen auf einer langen Zeitskala sowie im Zusammenhang mit Kalt- und Warmzeiten zu untersuchen. Tatsächlich zeigt die Verteilung der Tephralagen eine Synchronität mit den Eiszeitzyklen, mit einem deutlichen Anstieg beim Wechsel von der Kalt- zur Warmzeit. Diese Beobachtung konnte durch eine Frequenzanalyse statistisch belegt werden, die eine Dominanz eines 100 ka Zyklus ergibt, welcher auch die Klimazyklen dominiert. Unsere Ergebnisse unterstützen die Hypothese, das Klimaveränderungen sich auf den Vulkanismus auswirken. Der potentielle physikalische Mechanismus hinter diesem Zusammenhang ist möglicherweise die Veränderung im krustalen Stressfeldes verbunden mit der Umverteilung der kontinentalen Eisschilde und Wassermassen während der globalen Änderungen von Kalt- und Warmzeiten. In den Sedimenten, die während Expedition 352 erbohrt wurden, konnten 56 Aschelagen von Japan gefunden werden, sowie 12 Korrelationen zu bekannten Plinianischen Eruptionen von Kyushu und Zentral- und Nord-Japan gemacht werden. Die übrigen 101 Tephralagen stammen von Eruptionen aus verschiedenen Regionen des Izu-Bonin Vulkanbogens. Die Ergebnisse zeigen, dass es während der letzten 5 Mio. Jahre einen Eintrag gleichermaßen von Japan und vom Izu-Bonin Vulkanbogen gab. Zwischen 15 bis 5 Mio. und 30 bis 22 Mio. wurden ausschließlich Aschen vom Izu-Bonin Vulkanbogen abgelagert, während zwischen einer von 22 bis 15 Mio. Jahre andauernden Phase keine Aschelagen abgelagert wurden. Die unterschiedliche Vulkanaktivität über die Zeit wird auch durch die unterschiedliche Zusammensetzung der Hintergrundsedimentation deutlich. Die Kombination der Gesamtsedimentchemie und der Tephrazusammensetzung zeigt eine Phase von 30 bis 22 Mio., die hauptsächlich durch de Eintrag von dazitischem vulkanischen Material gekennzeichnet ist, während zwischen 22 bis 15 Mio. der Eintrag von vulkanischem Material auch in der Hintergrundsedimentation fehlt. Während dieser Phase gab es eine Subsidenz des Forearc Beckens unter die Karbonatkompensationstiefe, was durch die Ablagerung von Radiolarienschlamm und metallreichen siltigen Ton gekennzeichnet ist. In der darauffolgenden Phase (15 bis 5 Mio.) gab es Eintrag von mafischen und felsischen Tephren vom Izu-Bonin Vulkanbogen. Vom mittleren Miozän bis ins Quartär ist die Sedimentation durch den Eintrag von felsischen Tephren vom Izu-Bonin und kontinentalen Aschen von japanischen Eruptionen dominiert und durch eine zunehmenden Karbonatpreservation gekennzeichnet. Die neuen Ergebnisse helfen ein verbessertes Verständnis der regional tektonischen Entwicklung zu erlangen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Depositional setting, provenance and tectonic-volcanic setting of Eocene-Recent deep-sea clastic, hemipelagic and tuffaceous sediments of the oceanic Izu-Bonin forearc (IODP Expedition 352), NW Pacific region, International Geology Review
Robertson, A.H.F., Kutterolf, S., Avery, A., Baxter, A.T., Petronotis, K., Acton, G., Carvallo, C., Schindlbeck, J.C.
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(2017) Subduction Initiation and Ophiolite Crust: New Insights From IODP Drilling. International Geology Review
Reagan, M.K, Pearce, J.A., Petronotis, K., Almeev, R.R., Avery, A.J., Caervallo, C., Chapman, T., Christeson, G.L., Ferré, E.C., Godard, M., Heaton, D.E., Kirchenbaur, M., Kurz, W., Kutterolf, S., Li, H., Li, Y., Michibayashi, K., Morgan, S., Nelson, W.R., Prytulak, J., Python, M.
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(2017) The missing half of the subduction factory: shipboard results from the Izu rear arc, IODP Expedition 350. International Geology Review, p. 1-32
Busby, C.J., Tamura, Y., Blum, P., Guèrin, G., Andrews, G.D.M., Barker, A.K., Berger, J.L.R., Bongiolo, E.M., Bordiga, M., DeBari, S.M., Gill, J.B., Hamelin, C., Jia, J., John, E.H., Jonas, A.-S., Jutzeler, M., Kars, M.A.C., Kita, Z.A., Konrad, K., Mahony, S.H., Martini, M., Miyazaki, T., Musgrave, R.J., Nascimento, D.B., Nichols, A.R.L., Ribeiro, J.M., Sato, T., Schindlbeck, J.C., Schmitt, A.K., Straub, S.M., Mleneck-Vautravers, M.J. and Yang Yang, A.
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(2018) 100- kyr cyclicity in volcanic ash emplacement: evidence from a 1.1 Myr tephra record from the NW Pacific, Scientific Reports
Schindlbeck, J.C., Jegen, M., Freundt, A., Kutterolf, S., Straub, S.M., Mleneck-Vautravers, M.J., McManus, J.
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(2018) One Million Years Tephra Record at IODP Sites U1436 and U1437: Insights into explosive volcanism from the Japan and Izu arcs. In: Island Arc
Schindlbeck, J.C., Kutterolf, S., Straub, S.M., Andrews G.D.M., Wang, K.-L., Mleneck- Vautravers, M.J.
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(2018) Tephrostratigraphy and provenance from IODP Expedition 352, Izu-Bonin arc: tracing tephra sources and volumes from the Oligocene to the Recent, Geochemistry, Geophysics, Geosystems
Kutterolf, S., Schindlbeck, J.C., Robertson, A.H.F., Avery, A., Baxter, A.T., Petronotis, K., Wang, K.-L.
