Eclogite İnduced Deformation of the Siberian Craton

Abstract

The deformation of the cratons, whose roots are approximately 250 km deep is very difficult. The removal of the mantle lithosphere, which is one of the proposed mechanisms for the deformation of the craton that is stable for long periods, is carried out by many different processes. Deformation of the craton as a result of a gravitational instability is one of the most likely mechanisms. According to isopycnic hypothesis, lithospheric mantle of cratons thought to be buoyant due to their depleted composition, even though most of them Archean in age and cold. Since the mantle lithosphere of the craton is lighter in density than asthenosphere, an additional force is required for a gravitational instability to occur. This thermo - mechanical force causes deformation of the roots of the craton by creating an instability between the mantle lithosphere and the asthenosphere. The Siberian craton is one of the world's largest Archean - Proterozoic cratons. The Siberian craton has approximately 100 - 1300 m surface topography, 35 - 53 km MOHO thickness, and a maximum depth of 350 km LAB which are acquired from petrological studies, seismic tomography and gravity anomalies. Specifically, the LAB varies among 170-350 km and such depth change is not well understood. Until the formation of the Siberian craton is completed, it hosts many tectonic and magmatic events. These include active margin zones, continent collisions, and rift zones. As a result of pressure change in the active boundary regions, the transformation of basalt to eclogite takes place. Therefore, it creates a gravitational instability in the environment. Gravity anomalies observed near kimberlite fields, reflect the possibility of denser eclogitic bodies under the crust of Siberian craton. Our study focuses on testing potential deformation of the Siberian continental lithosphere with the presence of these eclogitic bodies. We performed 2D numerical experiments to investigate the effects of eclogite blocks that are varying in size and density. Crust rheology was prepared in accordance with Siberian craton. The density of the mantle lithosphere (3330 kg / m3 - 3410 kg / m3 +20 kg / m3) is changed to observe its effect on the system, and eclogite blocks of different size (5 km x 500 km, 10 km x 250 km, 25 km x 100 km) are added to the lower crust base to start a gravitational instability. According to model results, depending on the deformation of the mantle lithosphere, eclogite block can either stay attached to the lower crust, or it can be detached from it. In the case where the eclogite block attached to the lower crust, two different conditions: localized deformation (do not occur the drip mechanism) and non-localized deformation occurs due to the small-scale convection movement. Also, two different removal mechanism for the case where eclogite becomes detached are also observed: high degree deformation of mantle lithosphere, and the eclogite block pierce through the mantle lithosphere. Comparison of experimental results with geophysical data for MOHO and LAB depths showed that, the most convenient models for Siberian craton are the models where the dripping were not observed. Mantle lithosphere densities of 3350 kg / m3 or less yields the most consistent results. While the width of the eclogite block causes high-degree deformation, it is observed that with increasing thickness it leads to formation of viscous drips. Taking MOHO and LAB depths into account obtained from the model results, it has been observed that the model #A1, #A2 and #A3 agrees well with the BB' cross-section at 20.92 Ma, 25.36 Ma and 20.92 Ma, respectively. Experimental results indicate that, eclogite block(s) under the Siberian craton may still be there and craton itself does not undergo any significant deformation.

Kratonlar kalın litosferik köklere, düşük ısı akısına sahip olan yapılardır. Birçoğu Arkeen yaşlı olduğu için yoğunluklarının fazla olduğu düşünülsede litosferik mantoları nötral olarak yüzebilirlikleri fazladır. Kratonik alanlardaki aktif sınır bölgesi, birikim ya da tektonik kalınlaşma prosesleri kraton altı manto litosferinin tabanında kalın termal sınır bölgesinin oluşmasına neden olmaktadır. Derinlik ile artan sıcaklık, nötral olarak yüzebilen manto peridotunu tükenmiş hale getirerek, daha duraylı olmasına yol açmaktadır. Bu süreç boyunca biriken kalıntı, kratonik manto litosferi altında birikerek kalın, yüzebilirliği fazla olan termal sınır katmanın oluşmasını sağlamaktadır. Böylece termal sınır katmanı konvektif dengesizliklere karşı daha dayanıklı hale gelmektedir. Kökleri yaklaşık olarak 250 km derine inen kratonların deformasyonu bu nedenle oldukça zordur. Uzun dönemler boyunca stabil olan kratonların deformasyonu için önerilen mekanizmalardan biri olan manto litosferinin taşınması, farklı şekillerde gerçekleşmektedir. Bunlar arasında bulunan gravitasyonel bir dengesizlik sonucu kratonun deformasyonu, en olası mekanizmalardan biridir. Kratonların, manto litosferi, astenosfere oranla daha düşük yoğunlukta olduğundan gravitasyonel bir dengesizliğin gerçekleşebilmesi için dışarıdan bir kuvvet gerekmektedir. Bu termo – mekanik kuvvet manto litosferi ile astenosfer arasında bir dengesizlik yaratarak kratonun köklerinin deformasyonuna neden olmaktadır. Sibirya kratonu Dünya'nın en büyük Arkeen – Proterozoik yaşlı kratonudur. Sibirya kratonu elde edilen sismik hızlar doğrultusunda yaklaşık olarak 100 – 1300 m yüzey topografyasına, 35 – 53 km MOHO kalınlığına, maximum 350 km LAB derinliğine sahiptir. Sibirya kratonunun oluşumu tamamlanana kadar olan süreçte birçok tektonik ve magmatik olaya ev sahipliği yapmıştır. Bunlar arasında aktif sınır bölgeleri, kıta çarpışmaları ve rift bölgelerinin oluşması gibi tektonik süreçler bulunmaktadır. Aktif sınır bölgelerinde görülen basınç değişimi sonucu bazaltın eklojite dönüşümü gerçekleşmektedir. Eklojit kayası çevresini saran kütlelerden daha yoğun olan bir kayadır. Bu nedenle bulunduğu ortamda gravitasyonel bir dengesizlik yaratmaktadır. Bu çalışma için 2 boyutlu numerik modeller tercih edilmiştir. Kabuk reolojisi iki kısma ayrılarak, üst katman için kuru kuvarsit (20 km) ve alt katman için felsik granülit (15 km) tercih edilmiştir. Manto litosferi 200 km kalınlığında olup, manto litosferinin yoğunluk (3330 kg/m3 – 3410 kg/m3 +20 kg/m3) aralığı değiştirilerek, sisteme etkisinin nasıl olduğuna bakılmaktadır. Eklojit varlığında gerçekleşecek olan deformasyona bakıldığı için farklı yoğunlukta (3400 kg/m3 – 3700 kg/m3 +100 kg/m3) ve farklı boyutta eklojit blokları (5 km x 500 km, 10 km x 250 km, 25 km x 100 km) alt kabuk tabanına eklenerek gravitasyonel bir dengesizliğin başlaması sağlanmaktadır. Model parametreleri Sibirya kratonu üzerinde gerçekleştirilen petrolojik çalışmalar baz alınarak düzenlenmiştir. Model sonuçları eklojit bloğunun hareketine bağlı olarak, eklojitin alt kabuğa bağlı kaldığı ve alt kabuktan koptuğu mekanizma olarak ikiye ayrılmaktadır. Eklojit bloğunun alt kabuktan kopmadığı durumda damlama mekanizmasının gerçekleşmediği (lokalize deformasyon) ve küçük ölçekli konveksiyon hareketine bağlı oluşan deformasyon (lokalize olmayan deformasyon) gözlenirken, alt kabuktan koptuğu durumlarda manto litosferinin yüksek dereceli deformasyonu ve eklojit bloğunun manto litosferini delip geçtiği farklı mekanizmalar tespit edilmiştir. Lokalize deformasyon viskoz damlama mekanizmasının gerçekleşmediği fakat manto litosferinin konveksiyon hareketi sonucunda lokal olarak deformasyon gerçekleşen durum olarak nitelendirilmiştir. Bu model davranışının gerçekleşmesi için genellikle manto litosferi ve astenosfer arasındaki yoğunluk farkının 40 kg/m3'e eşit ya da daha büyük ve manto litosfer yoğunluklarının 3330 kg/m3 ya da 3350 kg/m3 olması gerekmektedir. Lokalize olmayan deformasyon davranışında eklojit bloğu alt kabuktan kopacak kadar güçlü değildir. Bu nedenle, astenosferin yarattığı küçük çaplı konveksiyon kuvvetleri manto litosferinin parçalanmasına ve deformasyonuna sebep olmaktadır. Bu davranışın gerçekleşebilmesi için astenosfer ve manto litosferi arasındaki yoğunluk farkının 20 kg/m3'e eşit ya da daha az olması gerekmektedir. Eklojit bloğunun alt kabuktan ayrılıp, manto litosferini delip geçtiği model sonuçları, yalnızca 25 km x 100 km eklojit boyutunda gerçekleştiği gözlenmektedir. Eklojit bloğunun manto litosferini delip geçebilmesi için, boyut koşulunun yanı sıra, yoğunluğunun da 3600 kg/m3' ten daha fazla olması gerekmektedir. Yüksek dereceli deformasyonun gerçekleştiği davranışta ilk süreçte eklojit bloğu duraysız hale gelip, manto litosferinin tabanında birçok dengesizliğin olmasına neden olmaktadır. Eklojit bloğunun aşağı doğru hareketi beraberinde manto litosferini de getirerek, astenosfer içine batmasına neden olmaktadır. Bu model davranışında en önemli parametre eklojit bloğunun boyutu olmaktadır. Eklojit bloğunun kalınlığının artması ile manto litosferinin yüksek dereceli deformasyonu gerçekleşirken, azalması ile lokalize olmayan davranış gerçekleşmektedir. İkincil önemli parametre ise manto litosferi ve astenosfer arasındaki yoğunluk farkının azalmasıdır. Bazı yüksek dereceli deformasyon deney sonuçlarında manto litosferi çok fazla duraysız hale gelerek tamamen astenosfer içine damladığı ve kabuğun astenosfer ile temas ettiği gözlenmiştir. Model sonuçları doğrultusunda eklojit bloğunun kalınlığının ve uzunluğunun aynı zamanda yoğunluğunun sisteme farklı etkileri olduğu gözlenmektedir. Eklojit bloğu ve manto litosferi yoğunluklarına göre yapılan sınıflandırmada her eklojit boyutu için farklı sistematik gözlenmiştir. 25 km x 100 km eklojit bloğu için eklojitin manto litosferini delip geçtiği, lokalize ve baskın olarak yüksek dereceli deformasyon davranışları oluşturmaktadır. 10 km x 250 km eklojit boyutlarında lokalize ve lokalize olmayan deformasyon hakim iken, yüksek dereceli deformasyon eklojitin kalınlığının azalmasına bağlı olarak daha az gözlenmektedir. En küçük kalınlığa sahip olan 5 km x 500 km eklojit bloğu lokalize ve lokalize olmayan davranış sergilemektedir. Model sonuçları Sibirya kratonunun MOHO ve LAB derinliği ile kıyaslanmış ve en uygun verilerin lokalize deformasyon mekanizmasının gerçekleştiği modellerde tespit edilmiştir. MOHO ve LAB derinlik haritalarından alınan dört farklı kesit arasından BB' kesitinin, seçilen model setleri ile en uyumlu derinlik sonuçlarını verdiği gözlenmiştir. Ayrıca, manto litosfer yoğunluğu için 3350 kg/m3 ve daha az olan yoğunlukların en uyumlu sonuçları verdiği görülmektedir. Eklojit bloğunun genişliği yüksek dereceli deformasyona neden olurken, kalınlığının damlama mekanizmasına neden olduğu gözlenmektedir. Model verileri neticesinde Sibirya kratonu altında var olan eklojit bloğunun hala orada olabileceği ve önemli bir deformasyon geçirmediği düşünülmektedir.