Diagenese und Strömungsprozesse im sedimentären und krustalen Eintrag der Subduktionszone von Sumatra: Ein geochemischer Ansatz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Am 26. Dezember 2004 ereignete sich das Sumatra-Andaman Erdbeben mit einer Momentmagnitude von Mw ~9,2. Das Hypozentrum des Bebens lag in einer Tiefe von ~30-40 km entlang der Grenzfläche, wo die indisch-australische Platte mit einer Geschwindigkeit von 4,5-5,9 cm/a unter die Burma-Sunda- Platten abtaucht. Das Ereignis riss ~1300 km der Plattengrenze vor der Küste Nordsumatras auf, wobei sich der seismische Versatz unter dem Anwachskeil seewärts bis zum Tiefseegraben ausbreitete und einen verheerenden Tsunami verursachte. Das Ereignis ist ungewöhnlich, weil die Plattengrenze unter dem äußeren Anwachskeil nach dem vorherrschenden Modell der Seismogenese für Subduktionszonen als aseismisch angenommen wird. Im Jahr 2016 beprobte die Expedition 362 des International Ocean Discovery Program (IODP) die Sedimentabfolge seewärts der Subduktionszone vor Sumatra, um die Eigenschaften des Sedimenteintrags und seine möglichen Auswirkungen auf die Seismogenese, Tsunamigenese und die Entwicklung des Anwachskeils zu untersuchen. Anhand dieser Proben untersuchte die vorliegende Studie die geochemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Sedimenteintrags und der darunterliegenden ozeanische Kruste, um die Prozesse zu beleuchten, die das mechanische Verhalten der Sedimente innerhalb der Subduktionszone beeinflussen. Die Analysen der Gesteinschemie, der Lithium- und Borisotopenzusammensetzung sowie rasterelektronenmikroskopischer Untersuchungen mit energiedispersiver Röntgenanalyse zeigen, dass die Alteration metastabiler Detrituskomponenten zu authigenem Wachstum von Tonen innerhalb der oberen 200 Meter unter dem Meeresboden (mbsf) führt. Die Analysen zeigen ferner, dass die Karbonatdiagenese eine wichtige Rolle für die Lithifizierung der Sedimente bis hinunter zu 1250 mbsf zu spielen scheint, was die beobachtete Überkonsolidierung in einaxialen Konsolidierungsversuchen erklären könnte. In den darunter liegenden pelagischen Sedimenten (1250 bis 1425 mbsf) wurden bei Analysen, die bereits auf dem Schiff durchgeführt wurden, >20 Gew.-% amorphe Silikate in Form von biogenem Opal und Palagonit identifiziert, die ein wichtiges Reservoir an mineralgebundenem Wasser darstellen. Die reaktionskinetische Modellierung der diagenetischen Freisetzung des gebundenen Wassers zeigt, dass das Wasser aus dem Opal bereits vor Ankunft des Sedimenteintrags in den Tiefseegraben ausgetrieben wird, während die Palagonit-Dehydratation nahe der Deformationsfront stattfindet. In beiden Fällen übersteigt die Fluidproduktion die der kompaktionsbedingten Entwässerung. Zudem stimmt das räumliche Vorkommen mit einem Reflektor mit hoher Amplitude und negativer Polarität in seismischen Untersuchungen überein, der seewärts des Nordsumatra-Grabens zu beobachten ist. Die Modellierungen legen nahe, dass die mechanische Kompaktion und diagentische Umwandlung inklusive Mineraldehydrierung entlang der Proto-Störungszone bereits vor der Subduktion abgeschlossen ist, was den Übergang von stabilem zu instabilem Reibungsverhalten der Störungsfläche in die Nähre des Tiefseegraben verschiebt. Mikrostrukturelle Aufnahmen und geochemische Analysen an Proben der ozeanischen Kruste zeigen außerdem eine wesentliche Alteration mit reichlich authigenem Wachstum von wasserhaltigen Tonmineralien (z.B. Saponit). Die Dehydrierung dieser Tone könnte eine wichtige Fluidquelle sein, die die mechanischen Prozesse in der Subduktionszone beeinflusst. Weitere reaktionskinetische Modellierungen sind erforderlich, um die räumlich-zeitliche Verteilung der Dehydrierung einzuordnen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017). Understanding Himalayan erosion and the significance of the Nicobar Fan. Earth and Planetary Science Letters, 475, 134-142
McNeill, L. C., Dugan, B., Backman, J., Pickering, K. T., Pouderoux, H. F., Henstock, T. J., Katerina E.Petronotis, K.E., Carter, A., Chemale Jr., F., Milliken, K.L., Kutterolf, S., Mukoyoshi, H., Chen, W., Kachovich, S., Mitchison, F., Bourlange, S., Colson, T.A., Frederik, M.C.G., Guèrin, G., Hamahashi, M., House, B.M., Hüpers, A., Jeppson, T., Kenigsberg, A.R., Kuranaga, M., Nair, N., Owari, S., Shan, Y., Song, I., Torres, M.E., Vannucchi, P., Vrolijk, P.J., Yangae, T., Zhao, X., Thoma, E.
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2017. Release of mineral-bound water prior to subduction tied to shallow seismogenic slip off Sumatra. Science, 356 (6340). 841-844
Hüpers, A., Torres, M.E., Owari, S., McNeill, L.C., Dugan, B., Henstock, T.J., Milliken, K.L., Petronotis, K.E., Backman, J., Bourlange, S., Chemale, F., Chen, W., Colson, T.A., Frederik, M.C.G., Guèrin, G., Hamahashi, M., House, B.M., Jeppson, T.N., Kachovich, S., Kenigsberg, Abby R., Kuranaga, M., Kutterolf, S., Mitchison, F.L., Mukoyoshi, H., Nair, N., Pickering, K.T., Pouderoux, H.F.A., Shan, Y., Song, I., Vannucchi, P., Vrolijk, P.J., Yang, T. and Zhao, X.
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2019. Boron and Lithium isotope geochemistry of pore waters in subduction inputs to the Sumatra subduction zone. Abstract. IODP-ICDP Colloquium, Cologne, GER., 18-20 March
Hüpers, A., Bublies, L., Kasemann, S.A., Meixner, A., Kopf, A.
