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Antretter, Maria (2001): Moving hotspots: Evidence from paleomagnetism and modeling. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

The assumption that stationary hotspots underlie the Earth’s lithospheric plates has been most important in the development of the theory of plate tectonics. According to the fixed hotspot hypothesis seamount trails are formed by volcanism penetrating the lithospheric plates whilst moving over ”hotspots”of upwelling mantle. In turn, the azimuths and age progressions of seamount trails can be used to quantify plate motions with respect to an independent reference frame of hotspots in the mantle. Also, assuming fixed hotspots, the direction of characteristic remanent magnetization in the basalts acquired during cooling should always be the same. Even if due to plate motion the products of the hotspot are located far away from the position of the hotspot itself, paleomagnetic studies on the basalts must always provide the position of the hotspot itself. Recently the question arose, why a hotspot with its origin deep in the mantle would not get advected in the convecting mantle of the Earth. - In this thesis a possible motion of the Kerguelen hotspot in the southern Indian Ocean and of the Louisville hotspot in the Pacific has been studied. The Kerguelen hotspot is active since approximately 117 Ma. Since then it formed the Kerguelen Plateau and the Broken Ridge in the southern Indian Ocean as well as the Ninetyeast Ridge, which is the hotspot track going north up to India, and the Ramajal Traps in India. Drilling into basement rocks of Broken Ridge and the Kerguelen Plateau was aim of the Ocean Drilling Program, Leg 183, from December 1998 to February 1999. Eight sites have been drilled. In seven of the sites also the sediments have been recovered. In this thesis, a possible motion of the Kerguelen hotspot has been studied by determining its paleolatitudes. First, basalts from the Kerguelen Plateau have been studied paleomagnetically to compare the paleolatitudes with the latitude of the hotspot itself. Basement from a drillsite on the central Kerguelen Plateau (Site 1138) and of a site on the northern Kerguelen Plateau (Site 1140) were suitable for a determination of paleolatitudes. A sufficient number of independent lavaflows has been penetrated and sampled there to properly average out paleosecular variation, an important requirement for determining paleolatitudes. The characteristic magnetization from the subaerial Site 1138 with AA- and Pahoehoe lava and of the submarine Site 1140 with its pillow basalts is carried by magnetite and titanomagnetites and -maghemites and consists of a single remanence component with sometimes a small viscous overprint, that could easily be removed during demagnetization. Stepwise demagnetization in an alternating field and stepwise heating of the specimens provided the inclination value of the characteristic magnetization very precisely with small error. Conversion of the mean-site inclination into the paleolatitude of a site provided a latitude of λ = 43.6◦S (max.: 47.8◦S; min.: 37.9◦S) for Site 1138 on the central Kerguelen Plateau and a latitude of λ = 35.8◦S (max: 43.0◦S; min.: 28.9◦S) for Site 1140 on the northern Kerguelen Plateau. In Site 1136 on the southern Kerguelen Plateau only two lava flows have been sampled. Therefore paleosecular variation could not be averaged out properly. Site 1142 on the Broken Ridge has been tilted and deformed tectonically after its formation, as was found from seismic explorations prior to drilling, and the inclination of the magnetization could therefore not be used for a determination of paleolatitudes. Compared to the latitude of the Kerguelen hotspot at 49◦S, the paleolatitudes of the central and northern Kerguelen Plateau are further north. This result agrees with previous paleomagnetic studies on the southern Kerguelen Plateau and the Ninetyeast Ridge, where paleolatitudes have been found that indicate also a formation north of the present-day hotspot position. This difference indicates a southward movement of the hotspot since the Cretaceous relative to the spin axis of the Earth. The motion can be explained with a rotation of the whole mantle of the Earth relative to the spin axis (true polar wander) or with a motion of the hotspot within the Earth’s mantle. Therefore, the possibility was studied whether true polar wander can be responsible for the difference between the paleomagnetic data and the present-day latitude of the hotspot. Three independently obtained true polar wander paths have been used, that describe the motion of the whole mantle (with the hotspots) relative to the rotation or dipole axis. All three curves point to a shift of the mantle at the time when the central and southern Kerguelen Plateau formed in such a way that higher southern paleolatitudes should be observed. This prediction is just the opposite to what was found in the paleomagnetic studies. The Cenozoic parts of the three experimentally obtained true polar wander paths roughly agree within their uncertainties with a numerically calculated path that accounts for changes of moments of inertia of the mantle. This means that the difference between paleomagnetic data and the present-day position of the hotspot can not be explained by true polar wander. The next starting point to explain the discrepancy is hotspot motion. For the determination of hotspot drift, geodynamic modeling has been carried out. Assuming that a mantle plume rising from the core-mantle boundary is advected in an convecting mantle, a hotspot sould move relative to the surface of the Earth. Seismic tomography models were converted into density models of the Earth’s mantle. Then a velocity field derived from the mass motion due to the density heterogeneities is calculated. The rising mantle plume is then inserted into the model and becomes advected in the velocity field. Seven different tomographic models have been used to obtain velocity fields. All seven models result in a southward motion for the Kerguelen hotspot since its first appearance approximately 117 Ma ago. The motion is in a similar direction for the different models, and its magnitude varies from 5 to over 10 degrees. So far, the program to model the hotspot drift assumed a constant viscosity within the rising plume. More realistic is the assumption of a depth-dependent plume radius, based on estimates of temperature- and hence viscosity variations within the plume. This has been integrated as a subroutine into the program. The plume radius affects the buoyancy of the plume. A plume with larger radius rises faster through the mantle, and will hence have a stronger tendency to straighten up. In contrast, a plume with smaller radius rises slowly and will be influenced more strongly by the velocity field of the mantle. Allowing for the variation of viscosity within the plume, the hotspot motion was calculated again. A comparison of the resulting hotspot motion for various input parameters showed that the result is rather independent of the parameters. The calculations also yield a southward motion of 5 to 10 degrees, only the shape of the hotspot path is somewhat changed. This southward motion of the Kerguelen hotspot by 5 to 10 degrees can explain the difference between the paleomagnetic data and the present-day position of the hotspot. Even combined with true polar wander it fits the paleomagnetic results, although true polar wander, taken by itself, even increases the difference that has to be explained. The consistency of paleomagnetic results with the model calculations allows the conclusion that the Kerguelen hotspot indeed moved southward by some degrees since its first occurence 117 Ma ago. A magnetostratigraphy has been made using the sediments of ODP Leg 183. It yielded a contribution to the age dating of the basalts prior to 40Ar/39Ar dating. Paleomagnetic studies on the sediments contributed to a combined Bio/Magnetostratigraphy. The stratigraphy helps to determine the minimal age of the underlying basalts. Using the reversals found in the magnetization and a correlation with the paleontological data, the lowermost sediments of Site 1136 (southern Kerguelen Plateau) are dated to have an age in the Early Cretaceous, Site 1138 (central Kerguelen Plateau) in the Late Cretaceous, and Site 1140 (northern Kerguelen Plateau) in the Oligocene. These results are meanwhile confirmed by precise 40Ar/39Ar age dating of the basement yielding an age of 100 Ma for Site 1138 and of 35 Ma for Site 1140. The Ontong Java Plateau, a Large Igneous Province in the western Pacific, was thought to be formed by the rising mantle plume of the Louisville hotspot approximately 120 Ma ago. However, according to a recent plate reconstruction, the plateau has been formed well to the north of the location of this hotspot. In this thesis it could be shown that the formation of the Ontong Java Plateau by the Louisville hotspot is possible if hotspot motion in the convecting mantle is allowed. For this purpose, the motion of the Louisville hotspot for the last 120 Ma years has been modeled, using the same method as already applied for the Kerguelen hotspot. The calculations indicate, that the Louisville hotspot has probably shifted by some degrees to the south since its first occurence approximately 120 Ma ago. There is a considerable variation between different model results, though. The Louisville hotspot is now located too far south to be responsible for the formation of the Plateau. However, it could have been in the right place at the time of the formation 120 Ma ago if hotspot motion is considered. This is an example that the drift of hotspots can affect plate tectonics and tectonic reconstructions and that it should be considered.

Abstract

Die Annahme, daß station¨are Hotspots unter den Lithosph¨arenplatten der Erde existieren, war ¨außerst wichtig f¨ur die Erforschung der Plattentektonik. Die Hypothese ortsfester Hotspots f¨uhrt zu dem Schluß, daß Seamount Ketten geformt werden, wobei der Vulkanismus die Lithosph¨arenplatten durchdringt w¨ahrend sich diese ¨uber Heiße Punkte (Hotspots) von aufsteigendem Erdmantel schieben. Die Alterszunahme der Seamounts sowie deren Position kann dann verwendet werden um Plattenbewegungen in einem unabh¨angigen Hotspot-Referenzsystem zu rekonstruieren. Bei ortsfesten Hotspots bleibt außerdem die Richtung der charakteristischen remanenten Magnetisierung, die die Basalte beim Abk¨uhlen erwerben, immer die gleiche. Auch wenn sich aufgrund der Plattenbewegung die Produkte eines Hotspots weit weg von seiner urspr¨unglichen geographischen Lage befinden, so m¨ussen pal¨aomagnetische Untersuchungen an den Basalten immer die Pal¨aobreite des Hotspots ergeben. In j¨ungerer Zeit aber kam die Frage auf, warum sich ein Hotspot, der seinen Ursprung tief im Erdmantel hat, nicht im konvektierenden Mantel mitbewegt. In dieser Arbeit ist eine m¨ogliche Bewegung des Kerguelen Hotspots im s¨udlichen indischen Ozean und des Louisville Hotspots im Pazifik untersucht worden. Der Kerguelen Hotspot ist seit ungef¨ahr 117 Ma aktiv. Durch diesen Hotspot wurden seitdem das Kerguelen Plateau und Broken Ridge im s¨udlichen indischen Ozean sowie das Ninetyeast Ridge gebildet, das sich als seine Hotspot Spur bis Indien nach Norden zieht. Auch die Ramajal Traps in Indien werden dem Kerguelen Hotspot zugeschrieben. Broken Ridge und das Kerguelen Plateau waren Ziel von Leg 183 im Ocean Drilling Program. Sie wurden von Dezember 1998 bis Februar 1999 von dessen Bohrschiff, der JOIDES Resolution, beprobt. Acht Bohrungen sind abgeteuft worden. In sieben der Bohrungen wurden zus¨atzlich zu den Basalten auch die dar¨uberliegenden Sedimente gekernt. In dieser Arbeit wird eine m¨ogliche Bewegung des Kerguelen Hotspots anhand seiner Pal¨aobreiten diskutiert. Zuerst wurden die Basalte vom Kerguelen Plateau pal¨aomagnetisch untersucht, um die Pal¨aobreiten des Plateaus mit der Breitenlage des Hotspots vergleichen zu k¨onnen. Die Basalte von einer Bohrung im Zentralen Kerguelen Plateau (Site 1138) sowie die einer Bohrung am N¨ordlichen Kerguelen Plateau (Site 1140) eigneten sich zur Bestimmung ihrer Pal¨aobreiten. Dort wurden eine ausreichende Anzahl unabh¨angiger Lavafl¨usse durchteuft, um die Pal¨aos¨akularvariation erfolgreich herausmitteln zu k¨onnen. Die charakteristische Magnetisierung sowohl des subaerisch entstandenen Sites 1138 als auch des submarinen Sites 1140 wird von Magnetit und Titanomagnetiten und -maghemiten getragen und zeigt nur eine einzige stabile Magnetisierungskomponente. Eine teilweise vorhandene, sehr schwache viskose ¨Uberpr¨agung konnte beim Entmagnetisieren im Labor leicht entfernt werden. Durch schrittweises Abmagnetisieren im Wechselfeld und durch schrittweises thermisches Abmagnetisieren der Proben wurde die charakteristische Inklination der Magnetisierung sehr genau bestimmt. Aus den mittleren Inklinationen eines Sites ergaben sich eine Pal¨aobreite von λ = 43.6◦S (max.: 47.8◦S; min.: 37.9◦S) f¨ur Site 1138 am Zentralen Kerguelen Plateau sowie eine Pal¨aobreite λ = 35.8◦S (max: 43.0◦S; min.: 28.9◦S) f¨ur Site 1140 am N¨ordlichen Kerguelen Plateau. In Site 1136 am S¨udlichen Kerguelen Plateau wurden nur 2 Lavafl¨usse durchteuft, und die Pal¨aos¨akularvariation konnte dadurch nicht ausreichend herausgemittelt werden. Aus seismischen Vorerkundungen des Gebietes ergab sich, daß Site 1142 am Broken Ridge nach seiner Entstehung tektonisch gekippt worden ist, und die Inklination der Magnetisierung konnte daher nicht zur Pal¨aobreitenbestimmung verwendet werden. Verglichen mit der Breitenlage des Kerguelen Hotspots bei 49◦S liegen die Pal¨aobreiten vom Zentralen und N¨ordlichen Kerguelen Plateau weiter n¨ordlich. Dieses Ergebnis stimmt mit fr¨uheren pal¨aomagnetischen Arbeiten vom S¨udlichen Kerguelen Plateau und vom Ninetyeast Ridge ¨uberein. Auch dort ergaben sich Pal¨aobreiten, die auf eine Entstehung n¨ordlich der heutigen Hotspotlage deuten. Diese Differenz weist auf eine S¨udw¨artsdrift des Hotspots seit der Kreidezeit relativ zur Rotationsachse der Erde hin. Die Bewegung kann prinzipiell durch die Verschiebung des gesamten Erdmantels relativ zur Spinachse (True Polar Wander) oder durch eine Bewegung des Hotspots im Erdmantel erkl¨art werden. Als n¨achstes wurde daher die M¨oglichkeit untersucht, daß True Polar Wander f¨ur die Differenz zwischen pal¨aomagnetischen Daten und Breitenlage des Hotspots verantwortlich ist. Drei unabh¨angig voneinander bestimmte True Polar Wander Kurven, die eine Bewegung des gesamten Erdmantels (mit den Hotspots) gegen die Rotationsachse (bzw. magnetische Achse) der Erde aufzeichnen, wurden daf¨ur verwendet. Alle drei Kurven weisen darauf hin, daß zur Zeit der Entstehung des Zentralen und S¨udlichen Kerguelen Plateaus der Erdmantel so verschoben war, daß die pal¨aomagnetischen Untersuchungen s¨udlichere Pal¨aobreiten ergeben m¨ussten - also im Gegensatz zu den wirklichen Ergebnissen. Der k¨anozoische Teil der drei experimentell bestimmten True Polar Wander Kurven stimmen innerhalb ihrer Fehler ungef¨ahr mit einer numerisch berechneten Kurve ¨uberein, welche ¨Anderungen der Tr¨agheitsmomente der Erde ber¨ucksichtigt. Daraus folgt, daß der Unterschied zwischen den pal¨aomagnetischen Daten und der Lage des Hotspots unter Ber¨ucksichtigung von True Polar Wander nicht erkl¨art werden kann, sondern sogar noch vergr¨oßert wird. Daher wurde als n¨achstes die M¨oglichkeit von Hotspotbewegung untersucht. Zur Bestimmung der Hotspotdrift sind geodynamische Modellrechnungen durchgef ¨uhrt worden. Dabei nimmt man an, daß ein von der Kern-Mantel Grenze aufsteigender Mantelplume im konvektierenden Mantel mitgezogen wird, was sich an der Erdoberfl¨ache als Verschiebung des Hotspots auswirkt. Daf¨ur wurden seismische Tomographiemodelle in Dichtemodelle f¨ur den Erdmantel konvertiert. Daraus wiederum wurde ein Geschwindigkeitsfeld, das aufgrund der ausgleichenden Massenbewegungen zwischen den Dichteheterogenit¨aten entsteht, f¨ur den konvektierenden Mantel berechnet. Ein aufsteigender Mantelplume wird dann in diesem Geschwindigkeitsfeld abdriften. Sieben verschiedene tomographische Modelle wurden zur Berechnung von Geschwindigkeitsfeldern verwendet. Alle sieben Modelle ergeben eine S¨udw¨artsbewegung des Kerguelen Hotspot seit seinem ersten Auftreten vor ungef¨ahr 117 Ma. Die Bewegung hat f¨ur die verschiedenen Modelle die ¨ahnliche Richtung und liegt zwischen 5 und 10 Grad. Das Programm zur Modellierung der Hotspotbewegung nahm bisher eine konstante Viskosit¨at im aufsteigendem Plume an. Realistischer ist die Annahme eines tiefenabh¨angigen Plumeradius, basierend auf Absch¨atzungen von Temperatur- und daher Viskosit¨ats¨anderungen innerhalb des Plumes. Dies wurde als Subroutine in das Programm integriert. Der Plumeradius wirkt sich auf das Aufsteigen des Plumes aus. Ein Plume mit gr¨oßerem Radius steigt schneller durch den Mantel, und wird daher eine st¨arkere Tendenz zu geradelinigem Auftrieb haben. Ein Plume mit kleinem Radius steigt dagegen langsamer auf und wird st¨arker vom Geschwindigkeitsfeld des Mantels beeinflußt. Unter Ber¨ucksichtigung der Viskosit¨ats¨anderungen in den aufsteigenden Plumes sind die Hotspotbewegungen neu berechnen worden. Diese neuen Ergebnisse und eine Gegen¨uberstellung der resultierenden Hotspotbewegungen bei ver¨anderten Eingabeparametern zeigen, daß die Berechnungen von den einzelnen Parametern relativ unabh¨angig ist. Nach wie vor weisen die Modellierungen auf eine S¨udw¨artsbewegung zwischen 5 und 10 Grad hin, nur der Verlauf der Hotspotspur ver¨andert sich leicht. Die S¨udw¨artsbewegung von 5 bis 10 Grad, die in den Modellierungen f¨ur den Kerguelen Hotspot gefunden wurde, kann die Differenz zwischen den pal¨aomagnetischen Pal¨aobreiten und der heutigen Hotspotlage erkl¨aren. Sogar die Kombination mit True Polar Wander, welche diese Differenz sogar noch vergr¨oßert, ist bei einer Hotspotbewegung dieser Gr¨oßenordnung erlaubt. Die ¨Ubereinstimmung der pal¨aomagnetischen Ergebnisse (zumindest innerhalb ihrer Fehlergrenzen) mit den Modellierungen ist ein deutlicher Hinweis auf die G¨ultigkeit der Modellrechnungen, und l¨aßt den Schluß zu, daß sich der Kerguelen Hotspot seit seinem ersten Auftreten vor 117 Ma tats¨achlich um einige Grad s¨udw¨arts bewegt hat. Eine Magnetostratigraphie, die aus den Sedimenten der Bohrlokationen von ODP Leg 183 angefertigt wurde, hat einen Beitrag zur m¨oglichst exakten Altersdatierung der Basalte geliefert. Pal¨aomagnetische Untersuchungen an den Sedimenten von 183 haben zur Erstellung einer kombinierten Bio/Magnetostratigraphie beigetragen. Die Stratigraphie halft, das Minimalalter der darunterliegenden Basalte zu bestimmen. Anhand der gefundenen Reversals in der Magnetisierung und der Korrelation mit den pal¨aontologischen Ergebnissen wurden f¨ur die tiefstliegenden Sedimente von Site 1136 (S¨udliches Kerguelen Plateau) ein Alter in der fr¨uhen Kreide, von Site 1138 (Zentrales Kerguelen Plateau) ein Alter der sp¨aten Kreide gefunden. Die ¨altesten Sedimente von Site 1140 (N¨ordliches Kerguelen Plateau) haben wir dem fr¨uhen Oligoz¨an zugeordnet. Diese Ergebnisse sind nun auch durch genaue 40Ar/39Ar-Altersdatierungen der Basalte best¨atigt worden, welche f¨ur Site 1138 ein Alter von 100 Ma und f¨ur Site 1140 von 35 Ma ergaben. Das Ontong Java Plateau, eine große Eruptivprovinz im westlichen Pazifik, ist wahrscheinlich ebenfalls von einem aufsteigendem Mantelplume in der Anfangsphase eines Hotspots geformt worden. Nach einer neuen Plattenrekonstruktion ist das Plateau jedoch n¨ordlich von der heutigen Lage des Louisville Hotspots gebildet worden, welchem das Plateau bisher zugeschrieben wurde. In dieser Arbeit wird gezeigt, daß eine Bildung des Plateaus durch den Louisville Hotspot m¨oglich w¨are, wenn man annimmt, daß dieser sich in einem konvektierenden Erdmantel bewegt. Mit Hilfe der Methoden, die bereits f¨ur den Kerguelen Hotspot angewandt wurden, ist die Bewegung des Louisville Hotspots f¨ur die letzten 120 Millionen Jahre modelliert worden. Die Modellrechnungen zeigen, daß sich der Hotspot seit seinem ersten Auftreten vor ungef¨ahr 120 Ma wahrscheinlich um mehrere Grad nach S¨uden verschoben hat. Jedoch gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den Modellergebnissen, die aus den unterschiedlichen Dichtemodellen des Mantels resultieren. Da der Louisville Hotspot f¨ur die Bildung des Plateaus jetzt zu weit s¨udlich liegt, k¨onnte er unter Ber¨ucksichtigung einer S¨udw¨artsbewegung vor 120 Ma passend positioniert gewesen sein. Am Beispiel der Bewegung des Louisville Hotspots wird gezeigt, daß die Drift von Hotspots Auswirkungen auf Plattentektonik und tektonische Rekonstruktionen haben kann und ber¨ucksichtigt werden sollte.