Impact of bending related faultingon the seismic properties of the incoming oceanic lithosphereoffshore of Nicaragua

Die Subduktion von Wasser bestimmt wesentlich das hydrogeologische Verhalten ozeanischer Lithosph¨are im Bereich des Tiefseegrabens. Wasser, welches als Teil der subduzierten ozeanischen Platte transportiert wird, beeinflusst dabei maßgeblich Prozesse wie die Seismizit¨at innerhalb dieser Platte sowie im weiteren Verlauf der Subduktion Schmelzvorg¨ange im dar¨uber liegenden Mantel. Durch die Biegung der subduzierten ozeanischen Lithosph¨are hervorgerufene St¨orungssysteme k¨onnen dabei den hydrothermalen Fluss verst¨arken und dadurch f¨ur Meerwasser denWeg bereiten bis in Tiefenbereiche der unteren Kruste und des oberen Mantels. Mehrere refraktionsseismische Messungen vor Nicaragua wurden durchgef¨urt um den Einfluss dieser St¨orungssysteme auf die seismischen Eigenschaften ozeanischer Lithosph¨are unmittelbar vor ihrer Subduktion zu untersuchen. Das Reflektionsverhalten seismischer Mehrkanal-Streamerdaten vor Nicaragua hat bereits gezeigt, dass Biegungsbr¨uche die Hydration und Serpentinisierung der subduzierten ozeanischen Platte erm¨oglichen. Zum ersten mal wurden jetzt seismische Refraktionsdaten entlang eines Profils aufgenommen, welches seew¨arts vom Outer Rise weit vor dem Bereiche beginnt, der durch Biegungsbr¨uche gepr¨agt ist, und bis zum Tiefseegraben nordwestlich der Nicoya Halbinsel verl¨auft, wo F¨acherecholotdaten deutliche Dehnungsbr¨uche seew¨arts des Tiefseegrabens zeigen. Eine gemeinsame tomographische Inversion von Weitwinkelreflexions- und Refraktionsdaten zeigt eine Reduzierung der P-Wellengeschwindigkeit innerhalb der Kruste und des oberen Mantels im Bereich in Richtung des Tiefseegrabens. Im Gegensatz dazu zeigen entsprechende P-Wellengeschwindigkeiten seew¨arts des Outer Rise typische Werte f¨ur 24 Ma alte ozeanische Lithosph¨are. Die beobachtete Geschwindigkeitsreduzierung innerhalb der Kruste im Bereich des Tiefseegrabens betr¨agt 0.2-0.5 km/s. Geschwindigkeiten von 7.6-7.8 km/s im oberen Mantel sind hier 5-7% niedriger als typische Geschwindigkeiten f¨ur Mantelperidotit. Diese systematischen ¨Anderungen der P-Wellengeschwindigkeit deuten auf Prozesse innerhalb der subduzierten Platte hin, die mit der Durchsickerung von Meerwasser durch tektonisch beanspruchte Bereiche der Lithosph¨are und der damit zusammenh¨angenden Serpentinisierung von Mantelperidotit erkl¨art werden k¨onnen. Zwei weitere refraktionsseismische Profile wurden weiter n¨ordlich parallel zum Tiefseegraben aufgenommen. Mit Hilfe dieser Profile sollte gekl¨art werden, ob es sich bei der iv Serpentinisierung um ein ¨ortlich begrenztes Ph¨anomen handelt oder ob gr¨oßere Bereiche der Cocos Platte vor Nicaragua davon gepr¨agt sind. Die tomographische Inversion beider Datens¨atze zeigt deutlich erniedrigte seismische Geschwindigkeiten sowohl innerhalb der Kruste als auch im oberen Mantel jeweils entlang der gesamten L¨ange der Profile. Die Geschwindigkeiten in der oberen Kruste betragen maximal 3.8-4.0 km/s, und der obere Mantel ist gekennzeichnet durch starke Alterationsprozesse, die sich in einer Geschwindigkeitsreduktion von 8-10% manifestieren. Die Geschwindigkeitsanomalien sind hier st¨arker ausgepr¨agt als auf Profil P50, was sehr wahrscheinlich mit dem grabenparallelen Profilverlauf und der damit einhergehenden gr¨oßeren St¨orungsdichte zusammenh¨angt. Die Modellierung des Einflusses von wassergef¨ullten Mikrobr¨uchen im Gestein auf die elastischen Eigenschaften zeigt, dass dieses die seismischen Geschwindigkeiten sehr stark beeinflusst. Die Modellierung der S-Wellengeschwindigkeiten auf Profil P50 zeigt, dass die beobachtete Geschwindigkeitsreduzierung in der Kruste st¨arker ausgepr¨agt ist als im entsprechenden P-Wellenmodell. Das ist ein Hinweis auf eine stark entwickelte Zerkl¨uftungsporosit¨at im Gestein und h¨atte somit einen deutlichen Einfluss auf die seismischen Eigenschaften der Kruste. Ein ¨ahnliches Szenario w¨are f¨ur die obersten Kilometer des Mantels vorstellbar. Weil Hydration und Zerkl¨uftung unmittelbar mit einander zusammenh¨angen, ist es mit dem zur Verf¨ugung stehenden Datensatz unm¨oglich, den jeweiligen Einfluss auf die seismischen Geschwindigkeiten zu trennen. Eine ermittelte Serpentinisierung von 12-17% in den obersten 3-4 km des Mantels ist demzufolge nur als Maximalwert in einem Szenario anzusehen, in dem die beobachteten Geschwindigkeitsanomalien ausschließlich auf die Hydration des Gesteins zur¨uckzuf¨uhren sind.