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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-25104
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2005/2510/


Numerical simulation of magma ascent by dykes and crust formation at spreading centres

Numerische Simulation des Magmaaufstiegs in Dykes und Krustenbildung an Spreizungszentren

Kühn, Daniela Kerstin

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SWD-Schlagwörter: Mittelozeanischer Rücken , Krustenbildung , Linearelastische Bruchmechanik , Magmakammer
Freie Schlagwörter (Deutsch): Magmatransport , Fokussierung , Rißpropagierung , Dykewechselwirkung , Randelementmethode
Freie Schlagwörter (Englisch): magma transport , focussing , fracture propagation , dyke interaction , boundary element method
Basisklassifikation: 38.37
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Dahm, Torsten (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.05.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 20.06.2005
Kurzfassung auf Deutsch: Mittelozeanische Rücken finden sich in allen größeren Ozeanbecken der Erde. Sie besitzen die weltweit höchste Produktionsrate an Extrusiv- und Intrusivgesteinen. Bildung ozeanischer Kruste und Vulkanismus an divergenten Plattengrenzen sind fundamentale Prozesse, deren Grundverständnis wichtig ist. Magmatische Dykes bauen einen Großteil ozeanischer Kruste auf. Ihr Vorkommen ist besonders augenfällig im sogenannten Sheeted-Dyke-Komplex der oberen Kruste. In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen Magmakammern und Dykes aufgrund von Spannungsfeldern untersucht. Die Ergebnisse werden zur Analyse ozeanischer Krustenbildung im allgemeinen und des Sheeted-Dyke-Komplexes im besonderen benutzt.
Da nur wenig Daten über die Geologie mittelozeanischer Rücken und den Verlauf magmatischer Prozesse verfügbar sind und analytische Modelle zumeist an der Berücksichtigung inhomogener Medien und heterogener Spannungsfelder scheitern, stellen numerische Modelle ein wichtiges Werkzeug zur weiteren Erforschung dieser Abläufe dar. Um den Aufstieg von Dykes als Fortbewegung fluidgefüllter Risse zu berechnen, wurde eine Randelementmethode verwendet.

Modelle für den Magmaaufstieg im Mantel müssen sowohl die hohen Transportgeschwindigkeiten als auch die Trennung von Schmelze und Mantelgestein zur Verhinderung chemischer Ausgleichsreaktionen und die Fokussierung des Magmas von der breiten Schmelzzone in der Tiefe zur schmalen Austrittszone an der Rückenachse leisten. In dieser Arbeit wurde der Magmatransport in Dykes simuliert und mit Modellen für Schmelzfluß im Porenraum des Mantelgesteins und in Dunitröhren verglichen.
Die Mantelkonvektion wurde durch einen sogenannten "corner flow" dargestellt. Dieser führt zur Ausbildung eines dynamischen Drucks sowie eines deviatorischen Spannungsfeldes, die neben den Auftriebskräften auf die fluidgefüllten Risse einwirken. Es stellte sich heraus, daß das deviatorische Spannungsfeld die geforderte Fokussierung der Schmelze verhindert. Die weithin bekannten Modelle für porösen Schmelzfluß sind in der Lage, diese Fokussierung nachzubilden. Sie erfüllen aber weder die Forderung nach hohen Transportgeschwindigkeiten noch der Trennung von Schmelze und Mantelgestein und vernachlässigen die Existenz des deviatorischen Spannungsfeldes völlig. Da Hinweise existieren, wonach poröser Schmelzfluß und Dykes in ähnlicher Weise auf äußere Spannungsfelder reagieren, stelle ich die Behauptung auf, daß in den Modellen für porösen Schmelzfluß die Fokussierung der Schmelze durch den Einbau des deviatorischen Spannungsfeldes ebenso unterbunden würde wie in meinem Modell für den Magmatransport in Dykes.

Da Dykes Stärke und Orientierung vorhandener Spannungsfelder lokal verändern, können sie nicht als passives Füllmaterial von Dehnungsrissen betrachtet werden. Die Parallelität der Dykes innerhalb des Sheeted-Dyke-Komplexes ist angesichts ihres Eigenspannungsfeldes, das zu einer Fokussierung und Überlagerung von Dykes führt, erstaunlich hoch. In dieser Arbeit wird erstmals eine Kombination aus Dykeaufstieg und -interaktion vor dem geologischen Hintergrund eines mittelozeanischen Rückens und seiner Kruste untersucht. Die Reaktion propagierender Risse auf das Spannungsfeld bereits aufgestiegener und in der Kruste erstarrter Dykes wird erforscht. Hierbei wird besonders auf die auffällige Einheitlichkeit des ozeanischen Krustenaufbaus an divergenten Plattengrenzen unterschiedlicher Spreizungsgeschwindigkeit, und daher verschiedener Charakteristika die Topographie und Lage von Magmakammern betreffend, eingegangen.
Ich schlage ein Modell vor, bei dem die Ursache für die Parallelität der Dykes im Sheeted-Dyke-Komplex an schnell und langsam spreizenden Rücken unterschiedlich ist, die grundsätzlichen magmatischen Prozesse aber dieselben bleiben. An schnell spreizenden Rücken bildet sich zusätzlich zum Magmareservoir an der Kruste-Mantel-Grenze eine krustale Magmakammer aus, da die schwache oder fehlende Extensionsspannung die Fokussierung und Anhäufung von Dykes begünstigt. Der Aufstiegspfad von dieser krustalen Magmakammer zum endgültigen Erstarrungssniveau der Dykes - das Niveau neutralen Auftriebs (engl. level of neutral buoyancy) - ist kurz und verhindert somit eine weitere Fokussierung. Die Dykes verbleiben senkrecht und parallel zueinander. An langsam spreizenden Rücken verhindert die herrschende regionale Extensionsspannung die Bildung einer krustalen Magmakammer, sorgt aber gleichzeitig für einen vertikalen Aufstieg der Dykes vom Reservoir an der Kruste-Mantel-Grenze bis zum Niveau neutralen Auftriebs. Somit sind auch hier die Voraussetzungen für die Ausbildung eines Sheeted-Dyke-Komplexes gegeben.

Meines Wissens wurde der Aufstieg von Magma in Dykes in Kruste und Mantel an mittelozeanischen Rücken noch nie zuvor in solcher Komplexität analysiert.
Kurzfassung auf Englisch: Mid-ocean ridges are common topographic features found in all major ocean basins and represent the most productive sites of magma generation worldwide. Both the processes of oceanic crust formation and volcanism at divergent plate boundaries are fundamental to plate tectonics and therefore important to understand. Magma dykes are an essential element in building oceanic crust, most prominent in sheeted dyke complexes in the upper crust. In this work, the interaction of magma chambers and dykes and their stress fields is used to analyse the formation of oceanic crust and in particular sheeted dyke complexes.
Because of the sparseness of available data and the inability of analytical models to deal with inhomogeneous media and heterogeneous stress fields, numerical modelling is a vital tool to gain further insight. A boundary element method is used to simulate the ascent of dykes as fluid-filled, propagating fractures.

A model for magma ascent in the mantle should take into account the fast transport velocity of magma, the prevention of chemical re-equilibration by the separation of melt and rock and the focussing of magma from a broad melting zone at depth towards a narrow extrusion area at the spreading axis. Magma transport by fractures has been simulated and compared with models of porous melt flow and melt flow through dunite channels. The convective mantle flow was modelled by corner flow. Dynamic pressure and deviatoric stress fields arise from mantle rock deformation. Unfortunately, the deviatoric stress field prevents the focussing of fractures. Widespread models of porous melt flow lead to focussing, but satisfy neither the requirement of fast ascent velocity nor of separation of melt and mantle rock. Furthermore, they neglect the existence of the deviatoric stress field. Since there are indications that porous melt flow and dykes react in a similar manner to external stress fields, I conclude that models of porous melt flow including a deviatoric stress field in addition to a dynamic pressure gradient would not achieve a focussing of melt towards the spreading axis in analogy to the melt transport in fluid-filled fractures.

Since dykes alter the magnitude and orientation of the local stress field, they cannot be treated as passive infillings of extensional fractures. The parallelity of dykes in the sheeted dyke complex is surprising, since the dyke-induced stress fields lead to focussing and crossing of dykes. In this work, a combination of dyke propagation and dyke interaction algorithms is used. Dyke interaction is represented by the reaction of ascending dykes on the stress field caused by previous fractures arrested in the crust. The composition of mature oceanic crust is relatively uniform, although it emerges from spreading centres with different spreading rates exhibiting various characteristics in topography and location of magma chambers. This phenomenon is analysed.
A model is developed, where the low to non-existent extensional stress field at fast-spreading ridges causes the formation of a crustal magma chamber in addition to the magma reservoir at the crust-mantle boundary due to focussing of dykes. Since the ascent path from the crustal magma chamber to the level of neutral buoyancy is only short, further focussing is inhibited and dykes are aligned parallel and vertical. The regional, extensional stress field at slow-spreading ridges impedes the formation of an additional crustal magma chamber, but causes the vertical ascent of dykes from the reservoir at the crust-mantle boundary to the level of neutral buoyancy, resulting in a sheeted dyke complex.

To my knowledge, neither magma ascent in the mantle nor in the crust beneath mid-ocean ridges has previously been studied in such complexity for melt ascent by fluid-filled dykes.

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