Discontinuities and mantle deformation in the subduction zones of South America and Indonesia

• Applicant: Dr. Ingo Wölbern
• Subject Area: Geophysics
• Term: from 2010 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 188582760

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

1.) Während der Förderdauer des Projekts wurden die Methoden der S­Receiver Functions sowie des H­k­Stackings methodisch weiterentwickelt. Die neuen Routinen wurden speziell zur Anwendung in Gebieten mit komplexen Krustenstrukturen optimiert. 2.) Mit der erweiterten Summationstechnik der S­Receiver Functions ist die LAB in Ostafrika kartiert worden. Sie liegt in Tiefen bis zu 210 km unter dem Tansania­Kraton abnehmend auf ca. 135 km unter dem Albert­Rift. Es existiert eine zusätzliche inner­lithosphärische Diskontinuität, die als Aufstiegsfront für asthenosphärische Schmelzen in Tiefen zwischen 104 km unter dem Kraton und 54 km unter dem Rift identifiziert wurde. Ein starker Impe­ danzkontrast zeigt die Existenz von partieller Schmelze unter dem Rift. 3.) Das H­k­Stacking wurde in Testreihen anhand synthetischer Daten eingehend auf seine Verlässlichkeit untersucht. Das Verfahren birgt ein hohes Risiko von Fehlinterpretationen durch das Auftreten artifizieller Nebenmaxima infolge der Stapelung von Phasen, die nicht an derselben Struktur generiert wurden. Das aus dem Stacking resultierende Geschwin­ digkeitsverhältnis (k) ist besonders anfällig gegenüber interferierenden Phasen und daher sehr ungenau im Fall komplexer Wellenformen. 4.) Die seismische Anisotropie in den Zentralanden ist geprägt von fossiler Einregelung des Olivins in der abtauchenden Nazca­Platte. Die schnellen Achsen sind vorrangig parallel zu deren Bewegungsrichtung orientiert. Entgegen früherer Hypothesen wurden keine Anzei­ chen für einen Mantelfluss senkrecht hierzu, bzw. parallel zum Graben, entdeckt. Klein­ räumige Anomalien, in denen Achsausrichtungen senkrecht zur Plattenbewegung vorherr­ schen, haben ihren Ursprung nachweislich in der Kruste der Südamerikanischen Platte. 5.) Die Kruste Zentraljavas ist gemäß der tektonischen Entwicklung von hoher Komplexität gekennzeichnet. Weite Gebiete zeigen durchschnittliche Mohotiefen von 33 km, die zwei kontinentalen Fragmenten zuzuordnen sind. Dazwischen liegt die Meratus­Suturzone, die eine signifikante Abnahme der Krustenmächtigkeit aufweist. Der postulierte Verlauf der Meratus­Sutur kann seismologisch weitgehend bestätigt werden. Überreste von Krusten­ verdickung infolge der früheren Kollision zeigen sich am Nordrand der Meratus­Sutur: Hier existiert eine Reihe von Krustenblöcken, die bis zu 39 km mächtig sind. Zudem ist eine innerkrustale Diskontinuität nahezu im ganzen Messgebiet zu beobachten, deren Tiefen­ verlauf (13­28 km) weder mit der Topografie Javas noch mit der Moho­Diskontinuität korreliert ist. Sie markiert die Oberkante einer Schicht erniedrigter Geschwindigkeit. 6.) Der sublithosphärische Mantel unter Indonesien weist acht seismische Diskontinuitäten bis in 1700 km Tiefe auf. Die MTZ zeigt eine normale Mächtigkeit im Rahmen der Messge­ nauigkeit. Sie wird in 408 und 665 km Tiefe begrenzt und ist somit unbeeinflusst vom abtauchenden Slab. Oberhalb der MTZ (ab ~370 km) ist die Geschwindigkeit deutlich erniedrigt. Grund hierfür sind partielle Schmelzen infolge erhöhter Wasserkonzentration, die bereits vor Einsetzen der wiederholten Subduktion in der Region entstanden ist. Die Lehmann­Diskontinuität liegt mit ca. 245 km tiefer als im globalen Mittel. Das Auftreten von Diskontinuitäten in ca. 300 km (X­Diskontinuität) und ca. 970 km (Repetti­Diskontinuität) geht auf die Veränderung der Mineralkomposition (z.B. Quarz) durch Slab­Material zurück. Schließlich existiert ein subduziertes Lithosphärenfragment in 1320 km Tiefe, das eine Mächtigkeit von ~40 km aufweist.

Publications

• 2012. Melt infiltration of the lower lithosphere beneath the Tanzania craton and the Albertine rift inferred from S receiver functions. Geochem. Geophys. Geosys. 13 (8)
  Wölbern, I., Rümpker, G., Link, K., Sodoudi, F.
  (See online at https://doi.org/10.1029/2012GC004167)
• 2014. Crustal origin of trench­parallel shear­wave fast polarization in the Central Andes. Earth Planet. Sci. Lett. 392, 230­238
  Wölbern, I., Löbl, U., Rümpker, G.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.02.032)
• 2016. Crustal thickness beneath Central and East Java (Indonesia) inferred from P receiver functions. J. Asian Earth Sci. 115, 69­79
  Wölbern, I., Rümpker, G.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2015.09.001)
• 2016. Limitations of H­ stacking: ambiguous results caused by crustal layering. J. Seismol.
  Wölbern, I., Rümpker, G.
  (See online at https://dx.doi.org/10.1007/s10950­016­9599­z)