The Interplay of Hydrothermal and Tectonic Processes at (Ultra)Slow-Spreading Mid-Ocean Ridges

Abstract

Mid-ocean ridges mark the boundary between divergent tectonic plates, where only a relatively thin brittle lithosphere separates the hot, ductile mantle from the overlying ocean. This unique environment fosters complex interactions among magmatism, tectonic faulting, and hydrothermal circulation within the newly formed seafloor. At slow- and ultraslow-spreading ridges with limited melt supply from the mantle, large, long-lived detachment faults are common, often associated with diverse hydrothermal activity. These systems, which have become a focus of recent research, are the expression of intricate hydro-tectono-magmatic feedbacks. In this thesis, numerical models, ideally suited for unraveling such complex systems, are employed to address unresolved questions about detachment faulting: What governs the subsurface thermal structure, and how does it influence the initiation and persistence of detachment faults? Do these faults merely provide a geometric framework for hydrothermal circulation, or do thermal, hydraulic, and chemical feedbacks actively shape fault evolution? Building on existing codes, this work presents a refined model to simulate lithosphere faulting, melt emplacement and hydrothermal activity around active fault zones. Two case studies highlight detachment fault dynamics: (1) the magma-poor section of the Southwest Indian Ridge at 64°E, where alternating "flip-flop" detachment faults create large axis-parallel ridges, and (2) the oceanic core complex at 13°30'N on the Mid-Atlantic Ridge, where the domed shear plane of a detachment fault hosts a series of hydrothermal ore deposits. In the first study, hydrothermal cooling within the fault zone is parametrized to investigate the interplay with magmatic sill intrusions and how thermal and rheological effects control flip‐flop detachment faulting. The second study examines fluid circulation patterns and high-temperature hydrothermal venting around an active detachment to understand the location of large seafloor sulfide deposits at oceanic core complexes. Our models contribute to a more comprehensive understanding of oceanic detachment faulting and the associated hydro-tectono-magmatic feedbacks. For instance, large-scale hydrothermal cooling of the active fault zone modifies the subsurface temperature structure and can impact the location of melt accumulation. In turn, location and intensity of footwall magmatism control detachment termination by triggering new fault formation. This feedback applies even in magma-poor settings, where magmatic heat may be insufficient to sustain high-temperature venting. In the second case study, vent field locations and estimates of sulfide accumulation rates indicate significant redirection and focusing of fluid flow below and within the detachment fault zone, controlled by fault zone permeability, heat source distribution, seafloor relief, and interaction of hydrothermal plumes. This leads to the hypothesis that the concave geometry of core complexes confines circulation within the footwall, promoting high-temperature venting around the core complex, whereas elongated fault zones of flip-flop detachments divert fluids to neighboring magmatic segments, explaining reduced hydrothermal venting. In addition to these insights, this work provides the first open-access version of our numerical model and paves the way for future studies, for example, on the role of the 3-D fault zone structure and coupled hydro-thermo-mechanical feedbacks of fluid-rock interactions on detachment faulting.

Mittelozeanische Rücken markieren die Grenze zwischen divergierenden tektonischen Platten und nur eine relativ dünne spröde Lithosphäre trennt dort den heißen, duktilen Erdmantel vom darüberliegenden Ozean. Diese einzigartige Umgebung ermöglicht ein vielfältiges Wechselspiel zwischen Magmatismus, tektonischen Brüchen und hydrothermaler Zirkulation innerhalb des neu entstehenden Meeresbodens. An langsam spreitzenden Rücken mit geringem Schmelzbudget treten häufig große, langlebige Abscherungen (Detachments) in Verbindung mit vielfältiger hydrothermaler Aktivität auf. Diese komplexen hydro-tektono-magmatischen Systeme sind zunehmend in den Fokus der Forschung gerückt sind. Mit Hilfe von Computermodellen werden in dieser Arbeit folgende Fragen thematisiert: Was bestimmt die thermische Struktur des Untergrundes und wie beeinflusst sie die Entstehung und Dauer von Detachments? Dienen Störungszonen lediglich als geometrischer Rahmen für hydrothermale Zirkulation, oder prägen thermische, hydraulische und chemische Rückkopplungen aktiv deren Entwicklung? Aufbauend auf bestehenden Codes wird in dieser Arbeit ein verfeinertes Modell vorgestellt, um Bruchprozesse in der Lithosphäre, magmatische Schmelzen und hydrothermale Aktivität zu simulieren. Zwei Fallstudien beleuchten die Dynamik von Detachments: (1) der magma-arme Abschnitt des Südwestindischen Rückens bei 64°E, wo "Flip-Flop" Detachments wechselnder Orientierung gewaltige Kämme senkrecht zur Spreizungsrichtung bilden, und (2) der ozeanische Kernkomplex bei 13°30'N am Mittelatlantischen Rücken, wo eine Reihe hydrothermaler Erzablagerungen entlang der gewölbte Scherfläche eines Detachments identifiziert wurden. In der ersten Studie wird der hydrothermale Kühleffekt innerhalb der Störungszone parametrisiert, um das Zusammenspiel mit magmatischen Intrusionen und die sich daraus ergebenden thermischen sowie rheologischen Einflüsse auf Bruchprozesse zu untersuchen. Die zweite Studie analysiert Strömunsbahnen von Porenwasser um ein aktives Detachment, um die Fundorte großer Sulfidlagerstätten auf dem Meeresboden zu erklären. Unsere Modelle resultieren in einem umfassenderen Verständnis der Dynamiken von ozeanischen Detachments. Hydrothermale Kühlung der aktiven Störungszone modifiziert die thermische Struktur des Untergrunds und beeinflusst so die Position von Schmelzansammlungen. Umgekehrt kontrollieren Position und Intensität des Magmatismus die Entstehung neuer Brüche und damit das Ende eines Detachments, selbst in magma-armen Umgebungen, wo die magmatische Wärme nicht für hochtemperierte hydrothermale Aktivität ausreicht. Die zweite Fallstudie zeigt anhand der Lage hydrothermaler Schlotfelder und Abschätzungen von Sulfidablagerungssraten, dass eine signifikante Umlenkung und Fokussierung des Wasserflusses unter- und innerhalb der Störungszone stattfindet. Kontrolliert wird dies von deren Permeabilität, der Verteilung von Wärmequellen, der Meeresbodentopographie sowie Interaktionen zwischen hydrothermalen Strömungen. Dies führt zu der Annahme, dass Detachments mit gewölbter Geometrie wie bei Kernkomplexen die hydrothermale Zirkulation darunter abschirmen und fokussieren, während die länglichen Störungszonen von Flip-Flop Detachments das Ableiten der Strömung hin zu benachbarten magmatischen Regionen erlauben. Neben diesen Erkenntnissen liefert diese Arbeit die erste frei zugängliche Version unseres numerischen Modells und diskutiert mögliche zukünftige Forschungsfragen, beispielsweise zur Rolle der 3-D Struktur von Störungszonen auf Strömungsmuster oder zu Rückkopplungen durch Fluid-Gestein-Interaktionen in Störungszonen.