Kimberlit-Eruptionen, angetrieben durch Plattenfluss und Subduktionswinkel

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9216 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Kimberlite entstehen aus thermochemischen Auftrieben, die Diamanten an die Oberfläche der Erdkruste transportieren können. Der Großteil der auf der Erdoberfläche erhaltenen Kimberlite brach vor 250 bis 50 Millionen Jahren aus und wurde auf Veränderungen der Plattengeschwindigkeit oder Mantelplumes zurückgeführt. Diese Mechanismen können jedoch nicht das Vorhandensein starker Subduktionssignaturen erklären, die in einigen Kimberliten der Kreidezeit beobachtet wurden. Dies wirft die Frage auf, ob es einen Subduktionsprozess gibt, der unser Verständnis des Zeitpunkts von Kimberliteruptionen vereinheitlicht. Wir entwickeln eine neuartige Formel zur Berechnung des Subduktionswinkels basierend auf Grabenwanderung, Konvergenzrate, Plattendicke und -dichte, um den Zustrom von Plattenmaterial in den Mantel mit dem Zeitpunkt von Kimberlit-Eruptionen in Verbindung zu bringen. Wir stellen fest, dass Subduktionswinkel in Kombination mit Spitzen im Slab-Fluss Impulse von Kimberlit-Eruptionen vorhersagen. Hohe Subduktionsgeschwindigkeiten des Plattenmaterials lösen einen Mantelrückfluss aus, der fruchtbare Reservoire im Mantel stimuliert. Diese konvektiven Instabilitäten transportieren die von der Platte beeinflusste Schmelze in einem Abstand vom Graben zur Oberfläche, der dem Subduktionswinkel entspricht. Unsere Deep-Time-Slab-Dip-Formulierung bietet zahlreiche potenzielle Anwendungen, darunter die Modellierung der tiefen Kohlenstoff- und Wasserkreisläufe und ein verbessertes Verständnis subduktionsbedingter Mineralvorkommen.

Kimberlite sind mafische Vulkangesteine, die aus dem Erdmantel ausbrechen und die Wirtsgesteine der meisten Diamanten sind1. Kimberlite kommen auf jedem Kraton vor und wurden seit 3 Ga2 sporadisch eingelagert, doch die größte Anzahl der heute auf der Erde erhaltenen Kimberliteruptionen entstand in den letzten 250 bis 50 Millionen Jahren, hauptsächlich in Afrika und Nordamerika3. Während die Verteilung von Kimberliten mit den Rändern großer Provinzen mit geringer Scherwellengeschwindigkeit (LLSVPs)4 und Änderungen in der Winkelgeschwindigkeit der Platte3 in Verbindung gebracht wurde, erklären diese weder die Häufigkeit von Kimberliteruptionen noch angereicherte radiogene Isotopensignaturen, die auf eine Subduktion hinweisen Plattenkomponente in einigen Kimberlitpopulationen der Kreidezeit1,5. Es wurde vorgeschlagen, dass die steile Subduktion der ozeanischen Lithosphäre in den Mantel einen starken Mantelrückfluss und Magmatismusimpulse auslöst6. Doch trotz des theoretischen Zusammenhangs zwischen Vulkanausbrüchen und hohen Plattenflussraten7 haben Schwierigkeiten bei der Schätzung des Volumens und des Subduktionswinkels der ozeanischen Lithosphäre, die in alten Subduktionszonen recycelt wird, jede Korrelation mit Kimberliteruptionen vereitelt. Frühere Versuche, den Neigungswinkel von Subduktionsplatten zu charakterisieren, verwendeten eine multivariate Analyse der Eigenschaften der Subduktionszone, um nach Korrelationen zwischen Schlüsselparametern zu suchen8,9,10,11,12,13,14. Allerdings eignen sich diese Ansätze vor allem für die Reproduktion des heutigen Gesteinsabfalls und sind nur begrenzt auf Subduktionszonen anwendbar, die im Laufe der tiefen geologischen Zeit rekonstruiert wurden. Unter Verwendung eines aktuellen Modells zur Rekonstruktion tektonischer Platten15 und von Modellen der Plattenkühlung16,17,18 untersuchen wir hier die Abschätzung der Plattenneigung anhand einfacher plattenkinematischer Parameter, die die meisten Subduktionszonen auf der ganzen Welt charakterisieren, um die mögliche Rolle steil subduzierender Platten bei der Kontrolle zu untersuchen Kimberlit-Ausbrüche in Afrika und Nordamerika.

Die Tiefen der subduzierenden Platten, die aus dem Slab2-Modell19 ermittelt wurden und mit Kimberliten überlagert sind, sind in den letzten 250 Millionen Jahren ausgebrochen20. Grabensegmente haben in (i) Ozeanien die folgenden Abkürzungen: Ton, Tonga; Ker, Kermadec; NH, Neue Hebriden; Sol, Salomon; (ii) Südostasien: PNG, Papua-Neuguinea; Summe, Sumatra; Mar, Marianen; IZB, Izu-Bonin; Ryu, Ryūkyū; Mann, Manila; Ph, philippinisch; (iii) Asien: Mak, Makran; SJ, Südjapan; NJ, Nordjapan; Kur, Kurile; (iv) Europa: Hel, Helenic; Cal, Kalabrien; (v) Nordamerika: Al, Aleuten; Cas, Kaskaden; (vi) Mittelamerika: Mexiko, Mexiko; MAM, Mittelamerika; LAT, Kleine Antillen; (vii) Südamerika: EG, Ecuador; SA, Südamerika; SC, Südchile; SSW, Süd-Sandwich. Ungefähre Grabenstandorte, Grenztypen, Namen und entsprechende Abkürzungen sind in Tabelle S1 aufgeführt. Weiße Bereiche weisen auf Regionen mit nichtozeanischer Kruste hin; dicke rote Linien zeigen mittelozeanische Rücken an; Dünne rote Linien zeigen Transformationsgrenzen an. Die Karte wurde mit Cartopy21 erstellt.

Der Abwärtszug von Platten in den Erdmantel ist die größte treibende Kraft in der Plattentektonik22, wobei die Biegung der subduzierenden Platte eine wichtige Rolle bei der Modulation des Ausmaßes des Plattenzuges spielt, der auf die Oberfläche übertragen wird, um die Plattenbewegung anzutreiben23. Seit den 1980er Jahren8 haben zahlreiche Studien die Zusammenhänge zwischen dem Subduktionswinkel und einer Reihe von Parametern untersucht, darunter die Dauer der Subduktion, die Konvergenzrate, die Art der darüber liegenden Platte, die Grabenlänge und andere8,9,10,11,12,13, 14. Eine kürzlich durchgeführte Studie kehrte zu einer multivariaten Regression zurück und bekräftigte die seit langem vertretene Ansicht, dass die Plattenneigung von der Subduktionsdauer und in geringerem Maße vom Alter der absteigenden Platte und davon, ob die darüber liegende Platte kontinentaler oder ozeanischer Natur ist, beeinflusst wird13. Während diese Parameter für die Annäherung an die heutige Plattenneigung nützlich sind, ist die Abgrenzung von Subduktionszonensegmenten subjektiv und zeitabhängig, was eine Schwierigkeit darstellt, wenn versucht wird, diese Plattenneigungsbeziehungen in tiefe geologische Zeit mit sich ständig weiterentwickelnden Subduktionsgrenzen zurückzuverfolgen. Beispielsweise werden Daten über die Dauer oder den erneuten Beginn der Subduktion mit zunehmendem Alter immer spärlicher und Plattenreorganisationen machen es schwierig, die Langlebigkeit der Subduktion zu quantifizieren. Ebenso ist die Unterteilung von Plattensegmenten im Laufe der Zeit höchst subjektiv und ein Bruch in der Topologie der Subduktionszone kann zu stark unterschiedlichen Schätzungen der Plattenneigung führen. Um diese Herausforderungen zu meistern, untersuchen wir Plattenneigungskorrelationen mit einer multivariaten Analyse der Plattenrheologie und kinematischen Parameter, die aufgrund der Optimierung von Plattenmodellen für Nicht-Nettorotation über tiefe geologische Zeiträume hinweg weniger mehrdeutig sind24. Mit diesem Ansatz kann die Schätzung der Plattenneigung auf sich entwickelnde Subduktionszonen angewendet werden, die sich soweit zurück erstrecken, wie es eine bestimmte Plattenrekonstruktion zulässt.

Wir extrahieren aktuelle Plattenneigungsdaten aus dem Slab2-Modell19, das die Tiefe und Geometrie abtauchender Platten auf der ganzen Welt anhand von Erdbebentiefen und Tomographiemodellen schätzt (Abb. 1) und kombinieren diese mit nahezu aktuellen kinematischen Platteneigenschaften aus einem aktuellen Plattenrekonstruktionsmodell25 mit pyGPlates26. Der Neigungswinkel \(\theta\) der nach unten gerichteten Platte wird in mehreren Tiefenintervallen innerhalb des Grabens gemessen (Abb. 2). Der durchschnittliche Neigungswinkel \(\theta _{\textrm{av}}\) ist einfach das arithmetische Mittel aller vom Slab2-Modell aufgelösten Tiefenintervalle orthogonal zum Graben,

Dabei ist d das Tiefenintervall und n die Gesamtzahl der Tiefenintervalle, die vom Slab2-Modell aufgelöst werden können. Der gesamte Arbeitsablauf zur Berechnung des Neigungswinkels aus dem Slab2-Modell sowie die Plattenrheologie und die kinematischen Parameter der subduzierenden Platte sind auf GitHub (https://github.com/brmather/Slab-Dip) offen verfügbar. Die statistisch signifikantesten Kombinationen von Parametern, die empfindlich auf den aktuellen Neigungswinkel subduzierender Platten reagieren, werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Schematische Darstellung von Platteneinbrüchen und Subduktionsparametern. Die Konvergenzrate \(v_c\) ist die Summe der Geschwindigkeit der subduzierenden Platte \(v_s\) und der Geschwindigkeit der übergeordneten Platte \(v_o\). Wir gehen davon aus, dass die Geschwindigkeiten der darüber liegenden Platte und des Grabens gleich und entgegengesetzt sind (\(v_o = -v_t\)). \(v_s\) und \(v_o\) sind positiv zum Graben und jeder Vektor ist orthogonal zum Graben. \(v_{\textrm{hsp}}\) ist die halbe Ausbreitungsrate an mittelozeanischen Rücken, die proportional zur Rate des flüchtigen Zuflusses (\(q_v\)) in die Platte ist, und \(\theta\ ) ist der Neigungswinkel der subduzierenden Platten, der in verschiedenen Intervallen berechnet wird.

Frühere Studien zur multivariaten Analyse von Subduktionskoeffizienten fanden keinen statistisch signifikanten Zusammenhang zwischen der Neigung der Platte und dem Alter der Subduktion der ozeanischen Lithosphäre8,9,13. Wir finden jedoch eine signifikante Beziehung, bei der die Plattenneigung proportional zur Konvergenzgeschwindigkeit \(v_c\) (\(P=0,39\)) und der Dicke der nach unten gerichteten Platte \(h_{\textrm{ Platte}}\) (\(P=0,59\)) (Abb. 3). Die Plattendicke wurde aus der thermischen Entwicklung der ozeanischen Lithosphäre vorhergesagt.

wobei \(\sqrt{\kappa t}\) aus Modellen der Plattenkühlung stammt16,27. Diese Modelle beschreiben die Verdickung der thermischen Grenzschicht als Funktion des Alters des Meeresbodens, die bei einem konstanten thermischen Diffusionskoeffizienten von \(\kappa = 1\) mm\(^2\)/ eine maximale Dicke von etwa 80 Myr erreicht. S. Wir verwenden ein Plattenmodell der ozeanischen Lithosphärenkühlung, das nachweislich eine optimale Anpassung an Tiefen- und Wärmeflussdaten liefert, um die Dicke der ozeanischen Lithosphäre zu berechnen, die in Gräben auf der Erde recycelt wird16. Das Produkt aus der Plattendicke \(h_{\textrm{Platte}}\) und der Konvergenzgeschwindigkeit \(v_c\), integriert entlang eines Grabensegments, ergibt die volumetrische Rate des lithosphärischen Recyclings oder den „Plattenfluss“. Wir beproben Altersgitter des Meeresbodens an Grabengrenzen, um die Dicke der subduzierenden ozeanischen Lithosphäre zu berechnen.

Korrelationen zwischen Plattenneigung und Konvergenzgeschwindigkeit, Plattendicke und Ausbreitungsgeschwindigkeit. 2D-Histogramme veranschaulichen die Wahrscheinlichkeitsdichte zwischen den einzelnen Parametern mit Plattenneigung für alle Subduktionszonensegmente, die in Schritten von 0,5 Grad mosaikiert sind (a–c); Subduktionszonensegmente werden für jede Subduktionszone gruppiert, wobei Whisker eine Standardabweichung vom Mittelwert (d–f) angeben. \(P_r\) ist der Wert des Pearson-Korrelationskoeffizienten und P ist der p-Wert.

Der zweite wichtige zu berücksichtigende Parameter ist die Geschwindigkeit des Grabenvorschubs oder -rückzugs. Es wird allgemein angenommen, dass das Zurückrollen der Platte zu einer Subduktion mit geringem Winkel und einer Stagnation der Platte an der oberen und unteren Mantelgrenze führt12,28,29, was teilweise erklärt, warum geringere Subduktionswinkel häufiger in Subduktionszonen zwischen zwei ozeanischen Platten beobachtet werden, wo es zu einem Rückzug der Gräben kommt häufiger als in Subduktionszonen zwischen Ozean und Kontinent10. Die Geschwindigkeit der Grabenwanderung, \(v_t\), wird relativ zum Bezugssystem des Mantels berechnet und kann mit der Konvergenzgeschwindigkeit, \(v_c\), verglichen werden, um verschiedene Subduktionsdynamiken zu charakterisieren:

Wenn \(v_c = -v_t\), wird die gesamte Konvergenzrate auf Rollback aufgeteilt;

Wenn \(v_t = 0\) ist der Graben stationär und die Geschwindigkeit der subduzierenden Platte ist gleich der Konvergenzrate (\(v_s = v_c\));

Wenn \(v_t > 0\), schreitet der Graben in Richtung der Subduktion voran.

Ein dritter Parameter, den wir berücksichtigt haben, ist die flüchtige Anreicherung der subduzierenden Platte. Eine erhöhte Häufigkeit flüchtiger Komponenten wie Wasser und Kohlenstoff verbessert die Kopplung zwischen der subduzierenden Platte und der darüber liegenden Platte30. Die Quelle der Anreicherung flüchtiger Stoffe liegt an mittelozeanischen Rücken, wo flüchtige Schmelze durch Kanäle in der neu entstehenden ozeanischen Lithosphäre zirkuliert31. Die Sequestrierungsrate flüchtiger Stoffe in der ozeanischen Lithosphäre, \(q_v\), ist proportional zur Ausbreitungsrate des Meeresbodens, \(v_{\textrm{hsp}}\)31. Wir beproben Gitter der Ausbreitungsrate des Meeresbodens, die mit den Arbeitsabläufen in32 erstellt wurden, an Grabengrenzen auf die gleiche Weise, wie wir Altersgitter interpolieren, um die Plattendicke \(h_{\textrm{plate}}\) zu berechnen. Wir stellen fest, dass \(v_{\textrm{hsp}}\) eine starke negative Korrelation mit der Plattenneigung aufweist (\(P=0,34\), Abb. 3c,f). Flüchtige Stoffe werden der Platte auch durch andere Prozesse hinzugefügt, beispielsweise durch hydrothermale Veränderung der oberen Kruste33, Sepertinisierung während der ultralangsamen Ausbreitung34 und während der Biegung und Rissbildung der Platte vor dem Eintritt in die Subduktionszone35. Die oben skizzierte Ausbreitungsgeschwindigkeitsbeziehung stellt jedoch die Beziehung dar Die häufigste Quelle flüchtiger Stoffe, die weltweit in den meisten Gräben subduziert wird.

Ein vierter Parameter, den wir berücksichtigten, war die mittlere Dichte der subduzierenden Platte. Der lithosphärische Auftrieb kann anhand des Plattenalters, der thermischen Struktur, der Krustendicke und der Erschöpfung abgeschätzt werden36. Die Kruste ist aufgrund ihrer relativ geringen Dichte (\(\sim\) 2900 kg/m\(^3\))37 die Hauptquelle für positiven Auftrieb in der ozeanischen Lithosphäre. Unter der Annahme moderner Manteltemperaturbedingungen weist die 10–20 Millionen Jahre alte Lithosphäre einen negativen Auftrieb auf36 und wird mit zunehmendem Alter immer negativer. Ein 60 Millionen Jahre langer Abschnitt der ozeanischen Lithosphäre ist etwa 79,4 km dick16, davon sind 7 km Kruste, was einer mittleren Dichte von \(\rho _{\textrm{av}} = 3278\) kg/m\(^3 entspricht \). Während der Auftrieb ozeanischer Platten möglicherweise nicht ausreicht, um allein eine Subduktion auszulösen38, verändern seitliche Änderungen in der Dichtestruktur der absinkenden Platte die Auftriebskraft in etablierten Subduktionszonen, was sich auf die Plattenneigung auswirken kann. Solche positiven Auftriebsanomalien sind mit ozeanischen Hochebenen verbunden, die häufig Subduktionszonen verstopfen39 oder zur Subduktion flacher Platten führen40.

Unter Berücksichtigung all dieser rheologischen und kinematischen Beziehungen für heutige Subduktionszonen haben wir eine Nearest-Neighbor-Regression angewendet, um den Neigungswinkel \(\theta _{\textrm{av}}\) subduzierender Platten vorherzusagen. Diese Regression implementiert einen kd-Baum, um k Nachbarn mit dem kürzesten euklidischen Abstand vom Trainingsdatensatz \(X_{\textrm{train}}\) zum Testdatensatz \(X_{\textrm{test}}\) effizient zu suchen. und verwendet den gewichteten Mittelwert der entsprechenden Plattenneigungen, um die Testplattenneigung vorherzusagen.

Dabei ist \(d_k\) der euklidische Abstand zwischen den Trainings- und Testdaten für k nächste Nachbarn, \(d_k = \Vert X_{\textrm{train}} - X_{\textrm{test}} \Vert _k\). Unter Verwendung einer Teilmenge der aktuellen Konfiguration von Subduktionsgrenzen und Platteneinbrüchen, die aus dem Slab2-Modell erhalten wurden, als Testdatensatz vergleichen wir die Leistung der Platteneinbruchvorhersage mit dem Trainingsdatensatz (Abb. 4). Der Trainingswert (\(R^2\)-Wert) misst die Übereinstimmung zwischen dem Trainings- und dem Testdatensatz, der für \(k=1\) maximal 1 beträgt. Dies liegt daran, dass zum aktuellen Zeitpunkt eine exakte Übereinstimmung zwischen dem Testdatensatz und dem Trainingsdatensatz besteht. Wenn k größer wird, werden mehr Nachbarn in den Durchschnitt einbezogen, was den \(R^2\)-Wert und die Kreuzvalidierungsbewertung verringert. Durch die Kombination dieser beiden Metriken wird die Leistung des Schätzers so bewertet, dass das Problem nicht über- oder unterangepasst ist. Wir entscheiden uns für \(k=5\), wo ein optimaler Kompromiss zwischen der Kreuzvalidierung und den Trainingsergebnissen besteht.

Kreuzvalidierungs-Score und Trainings-Score (\(R^2\)-Wert) für den Nearest-Neighbours-Regressionsalgorithmus zur Vorhersage des Neigungswinkels subduzierender Platten. Der Algorithmus wird unter Verwendung einer zunehmenden Anzahl von nächsten Nachbarn (k) getestet, die in der Berechnung aus Gleichung (1) verwendet werden. 3. Schattierte Bereiche geben eine Standardabweichung vom Mittelwert an (durchgezogene Linien). Der Kreuzvalidierungs-Score wird aus Gründen der visuellen Klarheit als negative Zahl angezeigt, um den optimalen Kompromiss mit dem Trainings-Score vergleichen zu können.

Wir haben ein flexibles objektorientiertes Python-Paket entwickelt, um die Plattenneigung auf der Grundlage heutiger Plattenrheologie und kinematischer Parameter abzuschätzen (https://github.com/brmather/Slab-Dip). Der Standard-Regressionsalgorithmus und der Trainingsdatensatz wurden oben beschrieben. Der Benutzer kann jedoch auch seinen eigenen Trainingsdatensatz und einen beliebigen Regressionsalgorithmus definieren, der im Scikit-Learn-Python-Paket gebündelt ist, um einen maßgeschneiderten Schätzer für die Neigung der Bodenplatte zu erstellen. Im GitHub-Repository stehen dem Benutzer mehrere Beispiele als Jupyter-Notebooks sowie Installationsanweisungen zur Verfügung. Die von uns gewählte Regression der nächsten Nachbarn ist allgemein und stellt einen robusten Zusammenhang zwischen den heutigen Eigenschaften subduzierender Platten und denen im Laufe der Zeit her. Obwohl es möglicherweise nicht auf bestimmte geodynamische Kontexte anwendbar ist, die sich von den heutigen unterscheiden, fasst es einige der Haupttreiber der Subduktion zusammen, die aus der plattentektonischen Theorie vorhergesagt werden, wie z. B. die Beziehung zwischen dem Alter des Meeresbodens, der Plattendicke, der Grabenwanderung usw. und Konvergenzgeschwindigkeit. Dabei wird berücksichtigt, dass die Plattensaugkraft, die mit älteren dichten Platten verbunden ist, die stark in den Erdmantel absinken, die Geschwindigkeit der tektonischen Platten an der Erdoberfläche antreibt und eine Zunahme des Ausmaßes des Zurückrollens zu einer Abflachung der nach unten gerichteten Platten führt. gehende Platte.

Es ist wichtig zu beachten, dass die von uns formulierte Beziehung das Einfallen der Platte bis zur maximalen Tiefe vorhersagt, die vom Slab2-Modell aufgelöst wird. Die Flugbahn der absteigenden Platte in den Erdmantel kann von den vorhergesagten Plattentiefen abweichen, da sie auf Viskositätskontraste im Erdmantel trifft, was manchmal zu Plattenstagnation41,42 und möglicherweise zur Plattenverankerung43 führt. Diese Dynamik wird von unserer Regression nicht erfasst, was ihre Anwendung auf bestimmte Subduktionszonen über einen nominellen Zeitbereich ausschließen kann. Dennoch gilt unsere Slab-Dip-Formulierung für die meisten Subduktionszonen weltweit und bietet den Vorteil, dass sie über tiefe geologische Zeiträume hinweg angewendet werden kann, indem tektonische Plattenrekonstruktionen verwendet werden, um die Flugbahn subduzierender Slabs in den Mantel vorherzusagen. Dies kann verwendet werden, um den Abstand zwischen Gräben und Vulkanbögen, das Auftreten flacher Plattensubduktion und das Recycling ozeanischer Lithosphäre in tiefere Teile des Mantels abzuschätzen.

Kimberlite sind Vulkangesteine, die schnell aus dem Erdmantel aufsteigen und weltweit in Kratonen eingelagert sind2. Kimberlit-Eruptionen wurden mit Mantelauftrieben aus dem LLSVP4 und Dehnungstektonik im Zusammenhang mit lithosphärischer Entladung44 oder Änderungen der Plattengeschwindigkeit3 in Verbindung gebracht. Diese Mechanismen erklären jedoch nicht die starken subduzierten Slab-Signaturen, die in Kimberliten aus der Kreidezeit in Afrika, Brasilien und Nordamerika aufgrund erhöhter Strontium-Isotopen-Verhältnisse beobachtet wurden1,5. Während afrikanische Kimberlite einen statistisch signifikanten Zusammenhang mit der Entfernung zu LLSVPs aufweisen, besteht bei Kimberliten in Nordamerika kein solcher Zusammenhang (Abb. 5). Im Gegensatz dazu wurden Kimberliteruptionen in Nordamerika mit einer flachen Subduktion der Farallon-Platte während der Laramid-Orogenese in Verbindung gebracht45. Hier könnte Magma durch wasserdurchströmtes Dekompressionsschmelzen der Mantelübergangszone46 erzeugt und durch subduktionsinduzierten Mantelrückfluss47 nach oben transportiert worden sein. Ein hoher Slab-Fluss wurde zuvor mit der Häufigkeit von Vulkanausbrüchen in Verbindung gebracht, bei denen Mantelauftriebe durch die Subduktion großer Mengen ozeanischer Lithosphäre in den Mantel vorangetrieben werden48. Subduktionsbedingte Mantelaufschwünge wurden mit der Bildung der 260 Ma großen magmatischen Provinz Emeishan im Südwesten Chinas49 und dem kenozoischen Vulkanismus im Nordosten Chinas50 in Verbindung gebracht. Um die Rolle der Subduktion bei der Erzeugung unterschiedlicher Kimberlitpopulationen in Afrika und Nordamerika in Einklang zu bringen, haben wir die vertikalen und horizontalen Komponenten des Plattenflusses mithilfe unserer Formulierung des Plattenabfalls im vorherigen Abschnitt getrennt und die globalen Subduktionsgrenzen mithilfe von pyGPlates26 rekonstruiert. Wir verwendeten ein von 15 modifiziertes 170-Myr-Plattenmodell mit deutlich verbesserten Subduktionszonengrenzen entlang des Westrandes Nordamerikas und einer verbesserten Auflösung der karibischen Platte51 (siehe Methoden). Die Standorte der Kimberlite (\(\le\) vor 170 Ma wurden mithilfe einer Zusammenstellung von Kimberliten mit Eruptionsalter52, die wir in ein dreifach verfeinertes ikosoedrisches Netz umwandelten,53 bis zu ihrer Eruptionszeit rekonstruiert, um Duplikate und geografische Stichprobenverzerrungen zu vermeiden. Anschließend haben wir die Kimberlite in (i) nordamerikanische und (ii) afrikanische Populationen unterteilt. Zusammengenommen machen diese Kimberlitpopulationen 91 % des globalen Kimberlitdatensatzes aus, der in den letzten 250–50 Millionen Jahren ausgebrochen ist und als „Kimberlitblüte“3 bezeichnet wird. Beim Vergleich des Zeitpunkts von Kimberlit-Eruptionen mit den Geschwindigkeiten des Plattenflusses berücksichtigen wir nur Gräben, in denen die Subduktion in Richtung der Kimberlit-Populationen erfolgt. Wir finden eine starke Korrelation zwischen dem hohen Plattenfluss entlang des westlichen Randes Nord- und Mittelamerikas, der mit der Subduktion der Farallon-Platte verbunden ist, und sowohl afrikanischen als auch nordamerikanischen Kimberlitpopulationen (Abb. 6a). Der niedrige Subduktionswinkel (30–35\(^\circ\)), der aus unserer Plattenneigungsanalyse an rekonstruierten Subduktionszonen vorhergesagt wurde, deutet darauf hin, dass sich Platten über mehr als 1.000 km aus dem Graben erstrecken würden, bevor sie die 660 km lange Mantelübergangszone kreuzen, und eindringen könnten tiefer in den unteren Erdmantel. Eine schnelle Subduktion von Plattenmaterial kann zu einem Mantelrückfluss führen35, aus dem Mantelauftriebe Kimberliteruptionen auslösen können. In den folgenden Abschnitten untersuchen wir, wie der subduktionsinduzierte Mantelrückfluss aufgrund hoher Plattenflussraten mit Kimberliteruptionen in Afrika und Nordamerika zusammenhängen könnte.

Räumlich-zeitlicher Zusammenhang zwischen Kimberliteruptionen und LLSVP-Grenzen. (a) Scherwellengeschwindigkeitsanomalie aus dem SMEAN2-Tomographiemodell54, überlagert mit der räumlichen Verteilung von Kimberliten (Diamanten), rekonstruiert zu ihrem Eruptionsalter. Wir definieren LLSVP-Grenzen als die 1 % langsame Kontur des 2800 km tiefen Schnitts aus der Geschwindigkeitsschwankung, die durch die rote gestrichelte Linie dargestellt wird. Als Referenz werden aktuelle Küstenlinien hinzugefügt. Die Karte wurde mit Cartopy21 erstellt. (b) Kumulative Dichtefunktion des Abstands zwischen LLSVP-Grenzen und Kimberlitpopulationen in Afrika und Nordamerika mit zufälligen kontinentalen Standorten zum heutigen Tag und rekonstruiert auf 170 Ma, als der Pangäa-Superkontinent entstand. Afrikanische Kimberlite weisen eine statistisch signifikante Beziehung zu den LLSVP-Grenzen auf, während dies bei nordamerikanischen Kimberliten nicht der Fall ist.

Es besteht eine starke Korrelation zwischen dem Slab-Fluss und der Häufigkeit von Kimberliteruptionen während des Höhepunkts afrikanischer Kimberliteruptionen zwischen 120 und 130 Ma (Abb. 6b). Die Subduktion hielt am Westrand des Superkontinents Pangäa während seiner Entstehung an, bis vor etwa 120 Millionen Jahren die Spaltung zwischen Afrika und Südamerika begann (Abb. 7). Zwischen 160 und 120 Ma korrelieren zwei Spitzen bei Kimberlit-Eruptionen mit Impulsen hoher Plattenströmung von der subduzierenden Farallon-Platte unter Amerika, die 30–35 \(^\circ\) in den Erdmantel eintauchte. Der größere Höhepunkt der Kimberliteruptionen bei 120 Ma entspricht einem Plattenfluss von 60 km\(^3\)/Jahr. Ein zweiter Höhepunkt afrikanischer Kimberliteruptionen trat zwischen 80 und 90 Ma auf, was mit einem zweiten Impuls im Plattenfluss (bis zu 80 km\(^3\)/Jahr) und einem Maximum der Plattengeschwindigkeit (6 cm/Jahr) korreliert Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Meeresbodens nimmt zwischen Afrika und Südamerika zu (Abb. 6b). Während gezeigt wurde, dass mit dem LLSVP verbundene Mantelplumes einen erheblichen Teil der kratonischen Lithosphäre in Afrika erodiert haben55 und möglicherweise mit einigen Kimberlit-Eruptionen in Zusammenhang stehen4, erklärt dies weder die Subduktionssignaturen in Kimberliten noch den Zeitpunkt ihres Ausbruchs.

Wir schlagen vor, dass ein Reservoir recycelter Platten den Mantel aufgrund der allgegenwärtigen Subduktion während des Aufbaus von Pangäa besetzt, was zu einem Dehydrierungsschmelzen des darüber liegenden Mantels führt, da in den kalten Platten mitgeführtes Wasser freigesetzt wird56. Dann, wenn Pangäa aufzubrechen beginnt, treibt die schnelle Subduktion von Plattenmaterial in einem geringen Winkel den Mantelrückfluss aus diesem fruchtbaren Mantelreservoir voran, was zu Kimberlitausbrüchen führt. Da subduzierende Platten die tiefe Mantelstruktur beeinflussen und möglicherweise einen verstärkten Plume-Fluss an den Rändern des afrikanischen LLSVP7 auslösen, könnte dies die Lieferung von durch Platten beeinflusster Schmelze vom obersten unteren Mantel an die Oberfläche beschleunigen, was einer erhöhten Häufigkeit von Kimberlit-Eruptionen bei 120 entspricht Ma. Dies ähnelt möglicherweise einem Prozess, der zur Bildung der 260 Millionen Jahre alten magmatischen Provinz Emeishan beiträgt, in der der recycelte Paläo-Tethys-Ozean unter Südwestchina großflächige Mantelauftriebe aus Tiefen von 410–660 km auslöst49. Der zweite Impuls bei Kimberlit-Eruptionen vor 80–90 Ma kann aufgrund der großen Entfernung von der nächsten Subduktionszone nach der Öffnung des Südatlantiks nicht ohne weiteres mit dem Plattenfluss in Verbindung gebracht werden (Abb. 7). Stattdessen wäre ein Anstieg der afrikanischen Plattengeschwindigkeit erforderlich Setzen Sie mehr kratonische Lithosphäre den Mantelauftrieben aus, die mit dem LLSVP verbunden sind, und erhöhen Sie dadurch die Häufigkeit von Kimberlit-Eruptionen3,4 (Abb. 6b).

Zusammenhang zwischen Kimberlit-Eruptionsdichte, Plattenfluss und Plattengeschwindigkeit über 170 Millionen Jahre. (a) Impulse in kombinierten Kimberlit-Eruptionen korrelieren mit Perioden hoher Plattenströmung der nach Osten einfallenden Farallon-Platte am westlichen Rand Nordamerikas. Der aus unserer Analyse vorhergesagte niedrige Neigungswinkel der Subduktion (30–35\(^\circ\)) wird durch eine starke Seitwärtskomponente des Plattenflusses angezeigt. (b) der erste Höhepunkt afrikanischer Kimberlit-Eruptionen korreliert mit einem hohen Slab-Fluss zwischen 120 und 130 Ma, als sich Pangäa ausbreitete; Der zweite Höhepunkt bei 80–90 Ma lässt sich aufgrund der größeren Entfernung zwischen Amerika und Afrika ab der Öffnung des Südatlantiks eher durch einen Anstieg der afrikanischen Plattengeschwindigkeit3 als durch den Plattenfluss erklären. (c) Pulse in nordamerikanischen Kimberlit-Eruptionen korrelieren eng mit Pulsen im Plattenfluss, der entlang nach Osten abfallender Subduktionszonen innerhalb eines Radius von 2500 km um den nächsten Kimberlit-Ausbruch in Nordamerika integriert ist, ohne dass eine Korrelation mit der Plattengeschwindigkeit beobachtet wurde.

Entwicklung des Plattenneigungswinkels in globalen Subduktionszonen von 160 Ma bis heute, überlagert mit der räumlichen Verteilung von Kimberliteruptionen. Ein großer Höhepunkt des Plattenflusses und der Kimberlit-Eruptionsdichte tritt bei 120 Ma während des Auseinanderbrechens des Gondwana-Superkontinents auf, und ein zweiter (kleinerer) Höhepunkt bei 80 Ma ist mit der Entfernung der flachen Farallon-Platte von der Basis der darüber liegenden kontinentalen Lithosphäre im Norden verbunden Amerika. Weiße Regionen weisen auf nichtozeanische Kruste hin, graue Regionen auf heutige Küstenlinien. Karten wurden mit Cartopy21 erstellt. Eine vollständige Zeitreihe von 170 Ma bis 0 Ma ist als Animation in Film S1 verfügbar.

A second population of kimberlite eruptions occurred between 110 and 40 Ma while North America migrated westward during the opening of the North Atlantic Ocean. It has been proposed that the dehydration of hydrous minerals stored within the flat-subducting Farallon plate promoted magmatism and kimberlite generation approximately 1500 km from the nearest trench45, however, geodynamic models suggest that flat subduction inhibits arc magmatism as the release and convection of fluids from the slab are obstructed by the asthenospheric wedge57. From our reconstructions of slab dip, the average dip angle along the western margin of North America varies between 30 and 36\(^\circ\) and the slab flux predicts the peaks and troughs in kimberlite eruption frequency between 110 and 40 Ma (Fig. 6c). Slab dip is spatially and temporally variable along North American subduction boundaries during the Laramide period, which has been attributed to the flat subduction of the Shatsky Rise conjugate on the northernmost section of the Farallon plate40. Its subduction predicts the distribution of magmatic and amagmatic zones in North America. From 95 to 60 Ma, the subduction of relatively young seafloor (5–50 Ma) combined with subduction of the buoyant conjugate Shatsky Rise leads to flat slab subduction beneath central USA58 (Fig. 7). The distribution of kimberlite eruptions during this period are focused in Canada and the south of North America on either side of the conjugate (Fig. 8). Abrupt changes in subduction angles could be accommodated by slab tears adjacent to the Arizona–New-Mexico magmatic belt57. It is likely that melts associated with the dehydration of recycled slab material in the mantle transition zone were delivered to the surface through subduction-induced return flow47. Removal of the flat Farallon slab from the base of overriding continental lithosphere at 50 Ma2.3.CO;2 (1995)." href="/articles/s41598-023-36250-w#ref-CR59" id="ref-link-section-d50653224e2584">59 würde den Mantelrückfluss weiter stimulieren und zu ausgedehnteren Kimberliteruptionen führen, die in der ehemals amagmatischen Zone im Zentrum der USA auftreten (Abb. 6c).

Entwicklung der Flachplattensubduktion entlang Nordamerikas. (a) Die flache Slab-Subduktion der Farallon-Platte wird durch den Shatsky Rise verursacht, der bei 95 Ma in den Graben eintritt. (b) Ein Großteil des Shatsky-Konjugats wird bis 70 Ma verbraucht. Zu diesem Zeitpunkt überdeckt der Farallon einen Großteil der zentralen USA und erzeugt eine tektonische Hebung, die mit der Laramid-Orogenese verbunden ist. (c) Bei 50 Ma wird die Farallon-Platte von der Basis der darüber liegenden kontinentalen Lithosphäre entfernt, was zu ausgedehnten Kimberlit-Eruptionen führt. Schwarze Polygone zeigen rekonstruierte große magmatische Provinzen an, graue Polygone zeigen abgeleitete LIP-Konjugate an, Pfeile zeigen die absolute Plattengeschwindigkeit an. Karten wurden mit Cartopy21 erstellt.

Die Dichotomie der Kimberlit-Eruption zwischen afrikanischen und nordamerikanischen Populationen ist wichtig, da der Rückflussmechanismus im Mantel zwar konsistent ist, die Stimulation der Quellregionen im Mantel jedoch unterschiedlich ist. In Afrika hat der mit subduzierenden Platten verbundene Mantelrückfluss wahrscheinlich Aufschwünge an den Rändern des LLSVP angeregt und ein fruchtbares Mantelreservoir belebt, das aus sinkenden Plattenresten stammt, die beim Zusammenbau von Pangäa übrig geblieben sind, was die in diesem Kimberlit aus der Kreidezeit beobachteten Subduktionssignaturen erklärt Bevölkerung. Der zweite Impuls afrikanischer Kimberlit-Eruptionen vor 80–90 Ma ist wahrscheinlich mit einem Anstieg der Plattengeschwindigkeit verbunden, da Afrika über mit dem LLSVP3 verbundene Aufschwünge wandert. Mittlerweile werden Kimberliteruptionen in Nordamerika durch den Rückfluss des oberen Erdmantels in Regionen neben der flachen Subduktion des Shatsky Rise und innerhalb der Region, die von der Laramid-Orogenese nach der Entfernung der flachen Platte unter Nordamerika betroffen ist, vorangetrieben. Wichtig ist, dass beide Kimberlitpopulationen mit der schnellen Subduktion der Farallon-Platte in einem geringen Winkel unter Amerika zusammenhängen, was darauf hindeutet, dass diese Platte eine wichtige Rolle bei der Förderung des durch Auftrieb verursachten Vulkanismus spielt. Ob die Farallon-Platte mit einer hohen Anreicherung flüchtiger Stoffe wie H\(_2\)O durchdrungen ist, was die Solidustemperatur senkt und teilweises Schmelzen und Magmabildung fördert45, oder ob es bereits vorhandene fruchtbare Mantelreservoirs stimuliert, ist unklar. Dennoch unterstreicht diese Studie die Bedeutung der Subduktion für die Entstehung von Kimberliten und stellt frühere Vorstellungen in Frage, dass Kimberlite hauptsächlich durch Mantelplumes erzeugt werden.

Der Neigungswinkel der subduzierenden ozeanischen Lithosphäre ist ein Schlüsselparameter, der die Mantel- und Kontinentaldynamik in Subduktionszonen charakterisiert. Wir schlagen einen einfachen Rahmen zur Vorhersage des Plattenabfalls anhand der Dicke der nach unten gerichteten Platte, der Konvergenzrate, der Geschwindigkeit der Grabenwanderung, der Dichte und der flüchtigen Anreicherung der Platte vor. Die Anwendung dieses Rahmenwerks auf Plattenrekonstruktionen liefert neue Einblicke in die Dynamik vergangener Subduktionszonen, die räumliche Verteilung des Bogenvulkanismus über tiefe geologische Zeiträume und das Schicksal subduzierter Platten. Mithilfe dieses Vorhersagerahmens rekonstruieren wir den Plattenneigungswinkel von Subduktionszonensegmenten über die letzten 170 Millionen Jahre, um Impulse bei Kimberliteruptionen zu erklären. Hohe Subduktionsraten stimulieren die Rückströmung des Mantels, was das teilweise Schmelzen und die Entstehung von Magma fördert. Kimberlit-Eruptionen in Afrika und Nordamerika stehen im Zusammenhang mit der Subduktion der Farallon-Platte unter Amerika. In Afrika zeigen Spitzen bei Kimberlit-Eruptionen eine starke Korrelation mit einem hohen Plattenfluss während der Anfangsstadien des Aufbrechens des Superkontinents und hohen Plattengeschwindigkeiten (bis zu 6 cm/Jahr), wenn Afrika über das LLSVP wandert. In Nordamerika führt die Subduktion des Shatsky Rise-Konjugats von 95–50 Ma zu einer flachen Subduktion unterhalb der zentralen USA, verbunden mit der Laramid-Orogenese, die den Magmatismus auf die Ränder der flachen Platte beschränkt, bis sie sich danach von der Basis der Lithosphäre entfernt 50 Ma. Unsere Ergebnisse unterstreichen die wichtige Rolle des Subduktionswinkels bei der Modulation des horizontalen Plattenflusses und damit der Verteilung und des Zeitpunkts des Vulkanismus. Dies hilft, die Dichotomie der Kimberlit-Populationen in Afrika und Nordamerika zu erklären und hat wichtige Auswirkungen auf die Bildung alter Kimberlite in Australien, Indien und Südamerika, die durch Rekonstruktionen der Plattenneigung durch tiefe geologische Zeiträume erklärt werden können.

Das in dieser Arbeit verwendete Plattenmodell wurde gegenüber einem kürzlich veröffentlichten Modell15 wie folgt modifiziert. Subduktionszonen, denen keine Bewegungen zugewiesen wurden, waren zunächst im Laufe der Zeit stationär; Diesen wurden neue Bewegungen relativ zum globalen Plattenkreis zugewiesen, um einen moderaten Rückzug des Grabens zu modellieren und gleichzeitig die tomografischen Einschränkungen einzuhalten. Die Orcas-Platte wurde vor 170–130 Ma in zwei separate Platten aufgeteilt, entsprechend ihrer Konfiguration nach 130 Ma, um Divergenzen an den Plattengrenzen auszugleichen. Die karibische Platte wurde außerdem vor 140–120 Ma durch ein neues Back-Arc-Ausbreitungszentrum gespalten, um die Bildung der großen magmatischen Provinz der Karibik an einem sich ausbreitenden Rücken zu ermöglichen51. Schließlich wurde das absolute Plattenbewegungsmodell mithilfe eines iterativen Optimierungsworkflows24 eingeschränkt. Ein ZIP-Archiv mit Plattenrekonstruktionsdateien zur Verwendung in GPlates ist auf Zenodo verfügbar (doi.org/10.5281/zenodo.5769002).

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind im Zenodo-Repository verfügbar, https://doi.org/10.5281/zenodo.5831990. Eine Reihe von Jupyter-Notebooks mit einem Python-Workflow zur Berechnung der Plattenneigung mithilfe eines Plattenrekonstruktionsmodells ist auch bei Zenodo über https://doi.org/10.5281/zenodo.5831990 und GitHub (https://github.com/brmather/) verfügbar. Slab-Dip). Die Plattenrekonstruktionssoftware GPlates und pyGPlates sind kostenlos verfügbar unter www.gplates.org/download.

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Diese Studie wurde vom AuScope Simulation, Analysis & Modeling-Knoten unterstützt, der von der australischen Regierung im Rahmen der National Collaborative Research Infrastructure Strategy, NCRIS, finanziert wurde. Wir danken dem Australian Research Council für die Finanzierung durch den Zuschuss DP200100966 (MS).

EarthByte Group, School of Geosciences, The University of Sydney, Sydney, 2006, Australien

Ben R. Mather, R. Dietmar Müller, Christopher P. Alfonso, Maria Seton und Nicky M. Wright

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BM konzipierte die Idee, entwickelte die Python-Tools, generierte die Abbildungen und schrieb das Manuskript. RDM konzipierte die Idee und Anwendungen der Slab-Dip-Formulierung zur Erklärung von Kimberlit-Eruptionen. CPA verbesserte die tektonische Rekonstruktion in Nordamerika und stellte Altersraster und Raster zur Ausbreitungsrate des Meeresbodens bereit. MS konzipierte die Experimente und verbesserte das Manuskript. NMW lieferte die Rekonstruktion großer magmatischer Provinzen.

Korrespondenz mit Ben R. Mather.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen

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Ergänzende Informationen 1.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mather, BR, Müller, RD, Alfonso, CP et al. Kimberlit-Eruptionen, angetrieben durch Plattenfluss und Subduktionswinkel. Sci Rep 13, 9216 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36250-w

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Eingegangen: 25. Oktober 2022

Angenommen: 30. Mai 2023

Veröffentlicht: 06. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36250-w

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