Computer simulations of microstructures related to the olivine spinel transition

Tiefherd-Beben, die im oberen Erdmantel in einer Tiefe von ca. 400 km auftreten, werden gewöhnlich mit dem in gleicher Tiefe auftretenden druckabhängigen, polymorphen Phasenübergang von Olivine (α-Phase) zu Spinel (β-Phase) in Verbindung gebracht. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie der Phasenübergang mit dem mechanischen Versagen des Mantelmaterials zusammenhängt. Zur Zeit werden im Wesentlichen zwei Modelle diskutiert, die entweder Mikrostrukturen, die durch den Phasenübergang entstehen, oder aber die rheologischen Veränderungen des Mantelgesteins durch den Phasenübergang dafür verantwortlich machen. Dabei sind Untersuchungen der Olivin→Spinel Umwandlung durch die Unzugänglichkeit des natürlichen Materials vollständig auf theoretische Überlegungen sowie Hochdruck-Experimente und Numerische Simulationen beschränkt. Das zentrale Thema dieser Dissertation war es, ein funktionierendes Computermodell zur Simulation der Mikrostrukturen zu entwickeln, die durch den Phasenübergang entstehen. Des Weiteren wurde das Computer Modell angewandt um die mikrostrukturelle Entwicklung von Spinelkörnern und die Kontrollparameter zu untersuchen. Die Arbeit ist daher in zwei Teile unterteilt: Der erste Teil (Kap. 2 und 3) behandelt die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und die prinzipielle Funktionsweise des Computer Modells, das auf der Kombination von Gleichungen zur Errechnung der kinetischen Reaktionsgeschwindigkeit mit Gesetzen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik unter nicht-hydostatischen Bedingungen beruht. Das Computermodell erweitert ein Federnetzwerk der Software latte aus dem Programmpaket elle. Der wichtigste Parameter ist dabei die Normalspannung auf der Kornoberfläche von Spinel. Darüber hinaus berücksichtigt das Programm die Latenzwärme der Reaktion, die Oberflächenenergie und die geringe Viskosität von Mantelmaterial als weitere wesentliche Parameter in der Berechnung der Reaktionskinetic. Das Wachstumsverhalten und die fraktale Dimension von errechneten Spinelkörnern ist dabei in guter Übereinstimmung mit Spinelstrukturen aus Hochdruckexperimenten. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Computermodell angewandt, um die Entwicklung der Oberflächenstruktur von Spinelkörnern unter verschiedenen Bedigungen zu eruieren. Die sogenannte ’anticrack theory of faulting’, die den katastrophalen Verlauf der Olivine→Spinel Umwandlung in olivinhaltigem Material unter differentieller Spannung durch Spannungskonzentrationen erklärt, wurde anhand des Computermodells untersucht. Der entsprechende Mechanismus konnte dabei nicht bestätigt werden. Stattdessen können Oberflächenstrukturen, die Ähnlichkeiten zu Anticracks aufweisen, durch Unreinheiten des Materials erklärt werden (Kap. 4). Eine Reihe von Simulationen wurde der Herleitung der wichtigsten Kontrollparameter der Reaktion in monomineralischem Olivin gewidmet (Kap. 5 and Kap. 6). Als wichtigste Einflüsse auf die Kornform von Spinel stellten sich dabei die Hauptnormalspannungen auf dem System sowie Heterogenitäten im Wirtsminerals und die Viskosität heraus. Im weiteren Verlauf wurden die Nukleierung und das Wachstum von Spinel in polymineralischen Mineralparagenesen untersucht (Kap. 7). Die Reaktionsgeschwindigkeit der Olivine→Spinel Umwandlung und die Entwicklung von Spinelnetzwerken und Clustern wird durch die Gegenwart nicht-reaktiver Minerale wie Granat oder Pyroxen erheblich beschleunigt. Die Bildung von Spinelnetzwerken hat das Potential, die mechanischen Eigenschaften von Mantelgestein erheblich zu beeinflussen, sei es durch die Bildung potentieller Scherzonen oder durch Gerüstbildung. Dieser Lokalisierungprozess des Spinelwachstums in Mantelgesteinen kann daher ein neues Erklärungsmuster für Tiefbeben darstellen.

Inferences on earthquake kinematic properties from data inversion: two different approaches

During my PhD, starting from the original formulations proposed by Bertrand et al., 2000 and Emolo & Zollo 2005, I developed inversion methods and applied then at different earthquakes. In particular large efforts have been devoted to the study of the model resolution and to the estimation of the model parameter errors. To study the source kinematic characteristics of the Christchurch earthquake we performed a joint inversion of strong-motion, GPS and InSAR data using a non-linear inversion method. Considering the complexity highlighted by superficial deformation data, we adopted a fault model consisting of two partially overlapping segments, with dimensions 15x11 and 7x7 km2, having different faulting styles. This two-fault model allows to better reconstruct the complex shape of the superficial deformation data. The total seismic moment resulting from the joint inversion is 3.0x1025 dyne.cm (Mw = 6.2) with an average rupture velocity of 2.0 km/s. Errors associated with the kinematic model have been estimated of around 20-30 %. The 2009 Aquila sequence was characterized by an intense aftershocks sequence that lasted several months. In this study we applied an inversion method that assumes as data the apparent Source Time Functions (aSTFs), to a Mw 4.0 aftershock of the Aquila sequence. The estimation of aSTFs was obtained using the deconvolution method proposed by Vallée et al., 2004. The inversion results show a heterogeneous slip distribution, characterized by two main slip patches located NW of the hypocenter, and a variable rupture velocity distribution (mean value of 2.5 km/s), showing a rupture front acceleration in between the two high slip zones. Errors of about 20% characterize the final estimated parameters.

Implications of regional fault distribution and kinematics for the uplift of rift flanks around the Rwenzori Mountains, Southwestern Uganda

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Störungsverteilung und der Störungskinematik im Zusammenhang mit der Hebung der Riftschultern des Rwenzori Gebirges.rnDas Rwenzori Gebirge befindet sich im NNE-SSWbis N-S verlaufenden Albertine Rift, des nördlichsten Segments des westlichen Armes des Ostafrikanischen Grabensystems. Das Albertine Rift besteht aus Becken unterschiedlicher Höhe, die den Lake Albert, Lake Edward, Lake George und Lake Kivu enthalten. Der Rwenzori horst trennt die Becken des Lake Albert und des Lake Edward. Es erstreckt sich 120km in N-S Richtung, sowie 40-50km in E-W Richtung, der h¨ochste Punkt befindet sich 5111 ü. NN. Diese Studie untersucht einen Abschnitt des Rifts zwischen etwa 1°N und 0°30'S Breite sowie 29°30' und 30°30' östlicher Länge ersteckt. Auch die Feldarbeit konzentrierte sich auf dieses Gebiet.rnrnHauptzweck dieser Studie bestand darin, die folgende These auf ihre Richtigkeit zu überprüfen: ’Wenn es im Verlauf der Zeit tatsächlich zu wesentlichen Änderungen in der Störungskinematik kam, dann ist die starke Hebung der Riftflanken im Bereich der Rwenzoris nicht einfach durch Bewegung entlang der Graben-Hauptst¨orungen zu erklären. Vielmehr ist sie ein Resultat des Zusammenspiels mehrerer tektonische Prozesse, die das Spannungsfeld beeinflussen und dadurch Änderungen in der Kinematik hervorrufen.’ Dadurch konzentrierte sich die Studie in erster Linie auf die Störungsanalyse.rnrnDie Kenntnis regionaler Änderungen der Extensionsrichtung ist entscheidend für das Verständnis komplexer Riftsysteme wie dem Ostafrikanischen Graben. Daher bestand der Kern der Untersuchung in der Kartierung von Störungen und der Untersuchung der Störungskinematik. Die Aufnahme strukturgeologischer Daten konzentrierte sich auf die Ugandische Seite des Rifts, und Pal¨aospannungen wurden mit Hilfe von St¨orungsdaten durch Spannungsinversion rekonstruiert.rnDie unterschiedliche Orientierung spr¨oder Strukturen im Gelände, die geometrische Analyse der geologischen Strukturen sowie die Ergebnisse von Mikrostrukturen im Dünnschliff (Kapitel 4) weisen auf verschiedene Spannungsfelder hin, die auf mögliche Änderungen der Extensionsrichtung hinweisen. Die Resultate der Spannungsinversion sprechen für Ab-, Über- und Blattverschiebungen sowie für Schrägüberschiebungen (Kapitel 5). Aus der Orientierung der Abschiebungen gehen zwei verschiedene Extensionsrichtungen hervor: im Wesentlichen NW-SE Extension in fast allen Gebieten, sowie NNE-SSW Extension im östlichen Zentralbereich.rnAus der Analyse von Blattverschiebungen ergaben sich drei unterschiedliche Spannungszustände. Zum Einen NNW-SSE bis N-S Kompression in Verbindung mit ENE-WSW bzw E-W Extension wurde für die nördlichen und die zentralen Ruwenzoris ausgemacht. Ein zweiter Spannungszustand mit WNW-ESE Kompression/NNE-SSW Extension betraf die Zentralen Rwenzoris. Ein dritter Spannungszustand mit NNW-SSE Extension betraf den östlichen Zentralteil der Rwenzoris. Schrägüberschiebungen sind durch dazu schräge Achsen charakterisiert, die für N-S bis NNW-SSE Kompression sprechen und ausschließlich im östlichen Zentralabschnitt auftreten. Überschiebungen, die hauptsächlich in den zentralen und den östlichen Rwenzoris auftreten, sprechen für NE-SW orientierten σ2-Achsen und NW-SE Extension.rnrnEs konnten drei unterschiedliche Spannungseinflüsse identifiziert werden: auf die kollisionsbedingte Bildung eines Überschiebungssystem folgte intra-kratonische Kompression und schließlich extensionskontrollierte Riftbildung. Der Übergang zwischen den beiden letztgenannten Spannungszuständen erfolgte Schrittweise und erzeugte vermutlich lokal begrenzte Transpression und Transtension. Gegenw¨artig wird die Störungskinematik der Region durch ein tensiles Spannungsregime in NW-SE bis N-S Richtung bestimmt.rnrnLokale Spannungsvariationen werden dabei hauptsächlich durch die Interferenzrndes regionalen Spannungsfeldes mit lokalen Hauptst¨orungen verursacht. Weitere Faktoren die zu lokalen Veränderungen des Spannungsfeldes führen können sind unterschiedliche Hebungsgeschwindigkeiten, Blockrotation oder die Interaktion von Riftsegmenten. Um den Einfluß präexistenter Strukturen und anderer Bedingungen auf die Hebung der Rwenzoris zu ermitteln, wurde der Riftprozeß mit Hilfe eines analogen ’Sandbox’-Modells rekonstruiert (Kapitel 6). Da sich die Moho-Diskontinuität im Bereich des Arbeitsgebietes in einer Tiefe von 25 km befindet, aktive Störungen aber nur bis zu einer Tiefe von etwa 20 km beobachtet werden können (Koehn et al. 2008), wurden nur die oberen 25 km im Modell nachbebildet. Untersucht und mit Geländebeobachtungen verglichen wurden sowohl die Reihenfolge, in der Riftsegmente entstehen, als auch die Muster, die sich im Verlauf der Nukleierung und des Wachstums dieser Riftsegmente ausbilden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Entwicklung der beiden Subsegmente gelegt auf denen sich der Lake Albert bzw. der Lake Edward und der Lake George befinden, sowie auf das dazwischenliegende Rwenzori Gebirge. Das Ziel der Untersuchung bestand darin herauszufinden, in welcher Weise das südwärts propagierende Lake Albert-Subsegment mit dem sinistral versetzten nordwärts propagierenden Lake Edward/Lake George-Subsegment interagiert.rnrnVon besonderem Interesse war es, in welcherWeise die Strukturen innerhalb und außerhalb der Rwenzoris durch die Interaktion dieser Riftsegmente beeinflußt wurden. rnrnDrei verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Randbedingungen wurden miteinander verglichen. Abhängig vom vorherrschenden Deformationstyp der Transferzone wurden die Reihen als ’Scherungs-dominiert’, ’Extensions-dominiert’ und als ’Rotations-dominiert’ charakterisiert. Die Beobachtung der 3-dimensionalen strukturellen Entwicklung der Riftsegmente wurde durch die Kombination von Modell-Aufsichten mit Profilschnitten ermöglicht. Von den drei genannten Versuchsreihen entwickelte die ’Rotationsdominierten’ Reihe einen rautenförmiger Block im Tranferbereich der beiden Riftsegmente, der sich um 5−20° im Uhrzeigersinn drehte. DieserWinkel liegt im Bereich des vermuteten Rotationswinkel des Rwenzori-Blocks (5°). Zusammengefasst untersuchen die Sandbox-Versuche den Einfluss präexistenter Strukturen und der Überlappung bzw. Überschneidung zweier interagierender Riftsegmente auf die Entwicklung des Riftsystems. Sie befassen sich darüber hinaus mit der Frage, welchen Einfluss Blockbildung und -rotation auf das lokale Stressfeld haben.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Evolution of the Southern Kenya Rift from Miocene to present with a focus on the Magadi area

The Kenya (a.k.a., Gregory) Rift is a geologically active area located within the eastern branch of the larger East African Rift System (EARS). The study area is located in the southern Kenya Rift between 1° South and the Kenya-Tanzania border (covering approximately 1.5 square degrees, semi-centered on Lake Magadi) and is predominantly filled with extrusive igneous rocks (mostly basalts, phonolites and trachytes) of Miocene age or younger. Sediments are thin, less than 1.5Ma, and are confined to small grabens. The EARS can serve both as an analogue for ancient continental rifting and as a modern laboratory to observe the geologic processes responsible for rifting. This study demonstrates that vintage (as in older, quality maps published by the Kenya Geological Survey, that may be outdated based on newer findings) quarter-degree maps can be successfully combined with recently published data, and used to interpret satellite (mainly Landsat 7) images to produce versatile, updated digital maps. The study area has been remapped using this procedure and although it covers a large area, the mapping retains a quadrangle level of detail. Additionally, all geologic mapping elements (formations, faults, etc.) have been correlated across older map boundaries so that geologic units don't end artificially at degree boundaries within the study area. These elements have also been saved as individual digital files to facilitate future analysis. A series of maps showing the evolution of the southern Kenya rift from the Miocene to the present was created by combining the updated geologic map with age dates for geologic formations and fault displacements. Over 200 age dates covering the entire length of the Kenya Rift have been compiled for this study, and 6 paleo-maps were constructed to demonstrate the evolution of the area, starting with the eruption of the Kishalduga and Lisudwa melanephelinites onto the metamorphic basement around 15Ma. These eruptions occurred before the initial rift faulting and were followed by a massive eruption of phonolites between 13-10 Ma that covered most of the Kenya dome. This was followed by a period of relative quiescence, until the initial faulting defined the western boundary of the rift around 7Ma. The resulting graben was asymmetrical until corresponding faults to the east developed around 3Ma. The rift valley was flooded by basalts and trachytes between 3Ma and 700ka, after which the volcanic activity slowed to a near halt. Since 700ka most of the deposition has been comprised of sediments, mainly from lakes occupying the various basins in the area. The main results of this study are, in addition to a detailed interpretation of the rift development, a new geologic map that correlates dozens of formations across old map boundaries and a compilation of over 300 age dates. Specific products include paleomaps, tables of fault timing and displacement, and volume estimates of volcanic formations. The study concludes with a generalization of the present environment at Magadi including discussions of lagoon chemistry, mantle gases in relation to the trona deposit, and biology of the hot springs. Several biologic samples were collected during the 2006 field season in an attempt to characterize the organisms that are commonly seen in the present Lake Magadi environment. Samples were selected to represent the different, distinctive forms that are found in the hotsprings. Each sample had it own distinctive growth habit, and analysis showed that each was formed by a different cyanobacterial. Actual algae was rare in the collected samples, and represented by a few scattered diatoms.

EVALUATION OF THE EVOLVING STRESS FIELD OF THE YELLOWSTONE VOLCANIC PLATEAU FROM 1988 TO 2010 FROM EARTHQUAKE FIRST MOTIONS INVERSION

Within the Yellowstone National Park, Wyoming, the silicic Yellowstone volcanic field is one of the most active volcanic systems all over the world. Although the last rhyolite eruption occurred around 70,000 years ago, Yellowstone is still believed to be volcanically active, due to high hydrothermal and seismic activity. The earthquake data used in this study cover the period of time between 1988 and 2010. Earthquake relocations and a set of 369 well-constrained, double-couple, focal mechanism solutions were computed. Events were grouped according to location and time to investigate trends in faulting. The majority of the events has oblique, normal-faulting solutions. The overall direction of extension throughout the 0.64 Ma Yellowstone caldera looks nearly ENE, consistently with the direction of alignments of volcanic vents within the caldera, but detailed study revealed spatial and temporal variations. Stress-field solutions for different areas and time periods were calculated from earthquake focal mechanism inversion. A well-resolved rotation of σ3 was found, from NNE-SSW near the Hebgen Lake fault zone, to ENE-WSW near Norris Junction. In particular, the σ3 direction changed throughout the years in the Norris Junction area, from being ENE-WSW, as calculated in the study by Waite and Smith (2004), to NNE-SSW, while the other σ3 directions are mostly unchanged over time. The Yellowstone caldera was subject to periods of net uplift and subsidence over the past century, explained in previous studies as caused by expanding or contracting sills, at different depths. Based on the models used to explain these deformation periods, we investigated the relationship between variability in aseismic deformation and seismic activity and faulting styles. Focal mechanisms and P and T axes were divided into temporal and depth intervals, in order to identify spatial or temporal trends in deformation. The presence of “chocolate tablet” structures, with composite dilational faults, was identified in many stages of the deformation history both in the Norris Geyser Basin area and inside the caldera. Strike-slip component movement was found in a depth interval below a contracting sill, indicating the movement of magma towards the caldera.

Timing of Tertiary Extension in the Railroad Valley Pioche Transect, Nevada: Constraints from Ar-40/Ar-39 Ages of Volcanic Rocks

Time-space relations of extension and volcanism place critical constraints on models of Basin and Range extensional processes. This paper addresses such relations in a 130-km-wide transect in the eastern Great Basin, bounded on the east by the Ely Springs Range and on the west by the Grant and Quinn Canyon ranges. Stratigraphic and structural data, combined with 40Ar/39Ar isotopic ages of volcanic rocks, document a protracted but distinctly episodic extensional history. Field relations indicate four periods of faulting. Only one of these periods was synchronous with nearby volcanic activity, which implies that volcanism and faulting need not be associated closely in space and time. Based on published dates and the analyses reported here, the periods of extension were (1) prevolcanic (pre-32 Ma), (2) early synvolcanic (30 to 27 Ma), (3) immediately postvolcanic (about 16 to 14 Ma), and (4) Pliocene to Quaternary. The break between the second and third periods is distinct. The minimum gap between the first two periods is 2 Ma, but the separation may be much larger. Temporal separation of the last two periods is only suggested by the stratigraphic record and cannot be rigorously demonstrated with present data. The three younger periods of faulting apparently occurred across the entire transect. The oldest period is recognized only at the eastern end of the transect, but appears to correlate about 150 km northward along strike with extension in the Northern Snake Range-Kern Mountains area. Therefore the oldest period also is regional in extent, but affected a different area than that affected by younger periods. This relation suggests that distinct extensional structures and master detachment faults were active at different times. The correlation of deformation periods of a few million years duration across the Railroad Valley-Pioche transect suggests that the scale of active extensional domains in the Great Basin may be greater than 100 km across strike.

Temperature-Time History of Subducted Continental-Crust, Mount Olympos Region, Greece

In the Mt. Olympos region of northeastern Greece, continental margin strata and basement rocks were subducted and metamorphosed under blueschist facies conditions, and thrust over carbonate platform strata during Alpine orogenesis. Subsequent exposure of the subducted basement rocks by normal faulting has allowed an integrated study of the timing of metamorphism, its relationship to deformation, and the thermal history of the subducted terrane. Alpine low-grade metamorphic assemblages occur at four structural levels. Three thrust sheets composed of Paleozoic granitic basement and Mesozoic metasedimentary cover were thrust over Mesozoic carbonate rocks and Eocene flysch; thrusting and metamorphism occurred first in the highest thrust sheets and progressed downward as units were imbricated from NE to SW. 40Ar/39Ar spectra from hornblende, white mica, and biotite samples indicate that the upper two units preserve evidence of four distinct thermal events: (1) 293–302 Ma crystallization of granites, with cooling from >550°C to <325°C by 284 Ma; (2) 98–100 Ma greenschist to blueschist-greenschist transition facies metamorphism (T∼350–500°C) and imbrication of continental thrust sheets; (3) 53–61 Ma blueschist facies metamorphism and deformation of the basement and continental margin units at T<350–400°C; (4) 36–40 Ma thrusting of blueschists over the carbonate platform, and metamorphism at T∼200–350°C. Only the Eocene and younger events affected the lower two structural packages. A fifth event, indicated by diffusive loss profiles in microcline spectra, reflects the beginning of uplift and cooling to T<100–150°C at 16–23 Ma, associated with normal faulting which continued until Quaternary time. Incomplete resetting of mica ages in all units constrains the temperature of metamorphism during continental subduction to T≤350°C, the closure temperature for Ar in muscovite. The diffusive loss profiles in micas and K-feldspars enable us to “see through” the younger events to older events in the high-T parts of the release spectra. Micas grown during earlier metamorphic events lost relatively small amounts of Ar during subsequent high pressure-low temperature metamorphism. Release spectra from phengites grown during Eocene metamorphism and deformation record the ages of the Ar-loss events. Alpine deformation in northern Greece occurred over a long time span (∼90 Ma), and involved subduction and episodic imbrication of continental basement before, during, and after the collision of the Apulian and Eurasian plates. Syn-subduction uplift and cooling probably combined with intermittently higher cooling rates during extensional events to preserve the blueschist facies mineral assemblages as they were exhumed from depths of >20 km. Extension in the Olympos region was synchronous with extension in the Mesohellenic trough and the Aegean back-arc, and concurrent with westward-progressing shortening in the external Hellenides.

Linking megathrust earthquakes to brittle deformation in a fossil accretionary complex

Seismological data from recent subduction earthquakes suggest that megathrust earthquakes induce transient stress changes in the upper plate that shift accretionary wedges into an unstable state. These stress changes have, however, never been linked to geological structures preserved in fossil accretionary complexes. The importance of coseismically induced wedge failure has therefore remained largely elusive. Here we show that brittle faulting and vein formation in the palaeo-accretionary complex of the European Alps record stress changes generated by subduction-related earthquakes. Early veins formed at shallow levels by bedding-parallel shear during coseismic compression of the outer wedge. In contrast, subsequent vein formation occurred by normal faulting and extensional fracturing at deeper levels in response to coseismic extension of the inner wedge. Our study demonstrates how mineral veins can be used to reveal the dynamics of outer and inner wedges, which respond in opposite ways to megathrust earthquakes by compressional and extensional faulting, respectively.

Quaternary uplift rates of the Central Anatolian Plateau, Turkey: insights from cosmogenic isochron-burial nuclide dating of the Kızılırmak River terraces

The Central Anatolian Plateau (CAP) in Turkey is a relatively small plateau (300 × 400 km) with moderate average elevations of ∼1 km situated between the Pontide and Tauride orogenic mountain belts. Kızılırmak, which is the longest river (1355 km) within the borders of Turkey, flows within the CAP and slowly incises into lacustrine and volcaniclastic units before finally reaching the Black Sea. We dated the Cappadocia section of the Kızılırmak terraces in the CAP by using cosmogenic burial and isochron-burial dating methods with 10Be and 26Al as their absolute dating can provide insight into long-term incision rates, uplift and climatic changes. Terraces at 13, 20, 75 and 100 m above the current river indicate an average incision rate of 0.051 ± 0.01 mm/yr (51 ± 1 m/Ma) since ∼1.9 Ma. Using the base of a basalt fill above the modern course of the Kızılırmak, we also calculated 0.05–0.06 mm/yr mean incision and hence rock uplift rate for the last 2 Ma. Although this rate might be underestimated due to normal faulting along the valley sides, it perfectly matches our results obtained from the Kızılırmak terraces. Although up to 5–10 times slower, the Quaternary uplift of the CAP is closely related to the uplift of the northern and southern plateau margins respectively.

Geochronology and isotope geochemistry of Eocene dykes intruding the Ladakh Batholith

In order to determine the extent and timing of dyke formation in the Ladakh Batholith we examined about 30 mostly andesitic dykes intruding the Ladakh batholith in a ca. 50 km wide area to the west of Leh (NW India). The dykes in the east of the area trend E-NE and those in the west trend N-NW. The difference in orientation is also evident in the petrography and isotopic signatures. The eastern dykes contain corroded quartz xenocrysts and show negative ε0(Nd) and positive ε0(Sr) values, where as the western dykes do not contain quartz xenocrysts and exhibit positive ε0(Nd) and near-zero ε0(Sr) values. The variability in Sr-Nd isotopes (ε0(Nd) = 3.6 to −9.6, ε0(Sr) = 0.4 to 143) and the quartz xenocrysts can best be explained by (differing degrees of) crustal assimilation of the parent magma of the dykes. Separated minerals from five dykes were dated by 40Ar-39Ar incremental heating: amphibole ages range between 50 and 54 Ma, and one biotite dated both by Rb-Sr and by 40Ar-39Ar gave an age of 45 Ma. One dated pseudotachylyte sample attests to brittle faulting at ca. 54 Ma. The combination of structural field evidence with petrographic, isotopic and geochronological analyses demonstrates that the dykes did not form from a single, progressively differentiating magma chamber, despite having formed in the same tectonic setting around the same time, and that processes such as crustal assimilation and magma mixing/mingling also played a significant role in magma petrogenesis.

U-Pb (zircon) geochronologic analyses for rocks of the Transantarctic Mountains (Table 4.3-1)

The Byrd Glacier discontinuity us a major boundary crossing the Ross Orogen, with crystalline rocks to the north and primarily sedimentary rocks to the south. Most models for the tectonic development of the Ross Orogen in the central Transantarctic Mountains consits of two-dimensional transects across the belt, but do not adress the major longitudinal contrast at Byrd Glacier. This paper presents a tectonic model centering on the Byrd Glacier discontinuity. Rifting in the Neoproterozoic producede a crustal promontory in the craton margin to the north of Byrd Glacier. Oblique convergence of the terrane (Beardmore microcontinent) during the latest Neroproterozoic and Early Cambrian was accompanied by subduction along the craton margin of East Antarctica. New data presented herein in the support of this hypothesis are U-Pb dates of 545.7 ± 6.8 Ma and 531.0 ± 7.5 Ma on plutonic rocks from the Britannia Range, subduction stepped out, and Byrd Glacier. After docking of the terrane, subduction stepped out, and Byrd Group was deposited during the Atdabanian-Botomian across the inner margin of the terrane. Beginning in the upper Botomian, reactivation of the sutured boundaries of the terrane resulted in an outpouring of clastic sediment and folding and faulting of the Byrd Group.

(Table 1) Organic geochemistry of ODP Hole 134-832B and Site 134-833

Ocean Drilling Program (ODP) Leg 134 was located in the central part of the New Hebrides Island Arc, in the Southwest Pacific. Here the d'Entrecasteaux Zone of ridges, the North d'Entrecasteaux Ridge and South d'Entrecasteaux Chain, is colliding with the arc. The region has a Neogene history of subduction polarity reversal, ridge-arc collision, and back-arc spreading. The reasons for drilling in this region included the following: (1) to determine the differences in the style and time scale of deformation associated with the two ridge-like features (a fairly continuous ridge and an irregularly topographic seamount chain) that are colliding with the central New Hebrides Island Arc; (2) to document the evolution of the magmatic arc in relation to the collision process and possible Neogene reversal of subduction; and (3) to understand the process of dewatering of a small accretionary wedge associated with ridge collision and subduction. Seven sites were occupied during the leg, five (Sites 827-831) were located in the d'Entrecasteaux Zone where collision is active. Three sites (Sites 827, 828, and 829) were located where the North d'Entrecasteaux Ridge is colliding, whereas two sites (Sites 830 and 831) were located in the South d'Entrecasteaux Chain collision zone. Sites 828 (on North d'Entrecasteaux Ridge) and 831 (on Bougainville Guyot) were located on the Pacific Plate, whereas all other sites were located on a microplate of the North Fiji Basin. Two sites (Sites 832 and 831) were located in the intra-arc North Aoba Basin. Results of Leg 134 drilling showed that forearc deformation associated with the North d'Entrecasteaux Ridge and South d'Entrecasteaux Chain collision is distinct and different. The d'Entrecasteaux Zone is an Eocene subduction/obduction complex with a distinct submerged island arc. Collision and subduction of the North d'Entrecasteaux Ridge results in off scraping of ridge material and plating of the forearc with thrust sheets (flakes) as well as distinct forearc uplift. Some offscraped sedimentary rocks and surficial volcanic basement rocks of the North d'Entrecasteaux Ridge are being underplated to the New Hebrides Island forearc. In contrast, the South d'Entrecasteaux Chain is a serrated feature resulting in intermittent collision and subduction of seamounts. The collision of the Bougainville Guyot has indented the forearc and appears to be causing shortening through thrust faulting. In addition, we found that the Quaternary relative convergence rate between the New Hebrides Island Arc at the latitude of Espiritu Santo Island is as high as 14 to 16 cm/yr. The northward migration rate of the d'Entrecasteaux Zone was found the be ~2 to 4 cm/yr based on the newly determined Quaternary relative convergence rate. Using these rates we established the timing of initial d'Entrecasteaux Zone collision with the arc at ~3 Ma at the latitude of Epi Island and fixed the impact of the North d'Entrecasteaux Ridge upon Espiritu Santo Island at early Pleistocene (between 1.89 and 1.58 Ma). Dewatering is occurring in the North d'Entrecasteaux Ridge accretionary wedge, and the wedge is dryer than other previously studied accretionary wedges, such as Barbados. This could be the result of less sediment being subducted at the New Hebrides compared to the Barbados.

Geochemistry of mafic clasts of ODP Holes 125-778A and 125-779A

Clasts of metamorphosed mafic igneous rock of diverse composition were recovered in two drill sites on a serpentine mud volcano in the outer Mariana forearc during Ocean Drilling Program Leg 125. These clasts are xenolithic fragments that have been entrained in the rising serpentine mud, and make up less that 9% of the total rock recovered at Sites 778 and 779. Most samples are metabasalt or metadiabase, although one clast of possible boninite and one cumulate gabbro were recovered. On the basis of trace element signatures, samples are interpreted to represent both arc-derived and mid-ocean ridge-derived compositions. Rocks with extremely low TiO2 (<0.3 wt%) and Zr (<30 ppm) are similar to boninite series rocks. Samples with low TiO2 (<0.9 wt%) and Zr (<50 ppm) and extreme potassium enrichment (K2O/Na2O >3.9) may represent island arc rocks similar to shoshonites. However, the K2O/Na2O ratios are much higher than those reported for shoshonites from modem or ancient arcs and may be the result of metamorphism. Samples with moderate TiO2 (1.4 to 1.5 wt%) and Zr (72 to 85 ppm) are similar to rocks from mid-ocean ridges. A few samples have TiO2 and Zr intermediate between island arc and mid-ocean ridge basalt-like rocks. Two samples have high iron (Fe2O3* = >12.8 to 18.5 wt%) (Fe2O3* = total iron calculated as Fe2O3) and TiO2 (>2.3 wt%) and resemble FeTi basalt recovered from mid-ocean ridges. Metamorphism in most samples ranges from low-temperature zeolite, typical of ocean floor weathering, to prehnite-pumpellyite facies and perhaps lower greenschist. Blue amphibole and lawsonite minerals are present in several samples. One diabase clast (Sample 9) exhibits Ca enrichment, similar to rodingite metamorphism, typical of mafic blocks in serpentinized masses. The presence of both low-grade (clays and zeolites) and higher grade (lawsonite) metamorphism indicates retrograde processes in these clasts. These clasts are fragments of the forearc crust and possibly of the subducting plate that have been entrained in the rising serpentine and may represent the deepest mafic rocks ever recovered from the Mariana forearc. The variable compositions and degree of metamorphism of these clasts requires at least two tectonic origins. The recovery of clasts with mid-ocean ridge and arc chemical affinities in a single drill hole requires these clasts to have been "mixed" on a small scale either (1) in the forearc crustal sequence, or (2) after inclusion in the rising serpentine mud. The source of the MORB-like samples and an explanation for the presence of both MORB-like and arc-like rocks in close proximity is critical to any model of the evolution of the Mariana forearc. The source of the MORB-like samples likely will be one (or more) of the following: (1) accretion of Pacific plate lithosphere, (2) remnants of original forearc crust (trapped plate), (3) volcanism in the supra-subduction zone (arc or forearc) environment, or (4) derivation from the subducting slab by faulting along the dÈcollement.