Subduction Roll Back and the Generation of Wet and Decompression Melting

Abstract

Subduction zones are the major element of active tectonics (55.000 km) of planet Eart (Stern, 2002). Subduction zones are regions of the Earth affected by the sinking of relatively cold and dense oceanic lithospheres into the mantle. Geophysical and geological evidences have led to interpretation of oceanic lithosphere subduction beneath the Sunda and Japan subduction region. Active subduction is taking important role to creation of serial volcanic province. These volcanic areas show variable chemical properties such as alkaline and calc-alkaline compositions. Alkaline composition is related with low pressure conditions and common at ridge regions however they are observed at some subduction zones such as Sunda arc. Calc-alkaline magmatism is related with dehydration reactions at subduction slab. Volatiles inside the top of the subducted oceanic lithosphere are releasing at 80 - 200 km depth condition. Volatiles decrease the melting temperature and cause partial melt of mantle wedge (triangular asthenospheric window beneath the volcanic arc). Thickness of the subducting slab is changing with oceanic lithosphere age. Feature of the subduction is dominated by thickness of the slab which is changing with age. Numerous 2D numerical geodynamic experiments (I2ELVIS) in the context of the tectonic evolution of the region are conducted to test the effects of the oceanic lithosphere age on melt generation. Within the scope of the models, the age of the oceanic lithosphere has been tried by increasing the age from 50 million to 120 million years. The plate convergence rate was defined as 4 cm / year and 8 cm/yr. The model boundaries are 1400 km vertical and 4000 km horizontal. as defined. The geology of the layers used in the models is defined as follows; 10 km atmosphere, 2 km. ocean, 20 km. felsic upper continental crust (wet quartzite), 15 km. felsic lower crust (wet kurtzite), 3 km. upper oceanic crust (basalt), 5 km. lower oceanic crust (gabbro) and 2 km. width is used for the zone of weakness hydrated mantle. Model result for subduction are comparable with observations related to the geodynamic evolution of the Sunda. The mantle structure compared by seismic profiles, considering convergent rate of plate motion. Chemical composition distribution of volcanics are correlating with geochemistry studies.

Yitim bölgeleri, aktif tektoniğinin temel elemanıdır ve yaklaşık 55.000 km. lik bir kısmını kaplamaktadır (Stern, 2002). Yitim bölgeleri, yeryüzünün nispeten soğuk ve yoğun okyanusal litosferlerinin mantoya batmasından meydana gelen alanlarıdır. Okyanusal litosferin dalması ile oluşam yapının jeokimyasal heterojenliği deniz dibi çökeltileri, mantodan uçucuları ve peridotit içeren okyanus bazaltları ile temsil edilir. Dalan levhanın yapısal özelliklerini belirleyen faktörler şu şekildedir; dalan levhanın termal sıcaklık gradyeni (yaşına bağlı olarak deşikenlik gösterir, dalan levhanın yaşı, yakınsama hızı, manto kamasındaki konveksiyon akımları, dalan levhanın üst yüzeyindeki makaslama kuvvetleri sonucu oluşan ısınma, sıcaklık etkisi altındaki adveksiyon akımları, erozyon ve deformasyonlardır (Artemieva, 2011). Sunda yayının Sumatra-Java bölümünde farklı yaşlarda okyanusal litofosferlerin dalımı, 15 Milyon yıldır devam etmketedir. Aktif dalma batma bölgesinin oluşu seri volkanların oluşumunda önemli rol oynamaktadır. Bu volkanik alanlar, alkalen ve kalk-alkalen bileşimler gibi değişken kimyasal özellikler gösterir. Alkali kompozisyon düşük basınç koşullarıyla ilişkilidir ve okyanus ortası sırt bölgelerinde yaygındır, ancak Sunda arkı gibi bazı yitim bölgelerinde gözlenir. Kalk-alkalen magmatizması, Dalan levhadaki dehidrasyon reaksiyonları ile ilişkilidir. Dalan okyanusal litosferin üst yüzeyindeki uçucular, 80-200 km derinlik koşulunda serbest kalmaktadır. Uçucu maddeler erime sıcaklığını düşürür ve açılan manto penceresinin kısmi erimesine neden olur (volkanik arkın altındaki üçgen astenosferik pencere). Dalan levhanın kalınlığı, okyanusal litosferin yaşı ile birlikte değişmektedir. Bölgenin tektonik evrimi bağlamında çok sayıda 2B sayısal jeodinamik model, okyanus litosfer yaşının eriyik üretimi üzerindeki etkilerini test etmek için üretilmiştir. Modellerde sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak hazırlan Eulerian ve hücre işaretleme metodlarının karışımı bir hesaplama yapılmıştır. Her bir sıcaklık, yoğunluk, viskozite gibi materyal parametreleri node adı verilen kesişim çizgileri üzerine aktarılıp yan hücre ile kütle ve ısı korunumu yasalarına dayanarak etkileşime geçmesi sonucu hücre değerleri hesaplanmıştır. 1361x351 node kullanılmıştır. Viskozite, elastisite ve plastik parametreleri ortak çözen metod Taras Gerya tarafından geliştirilmiştir ve adı I2ELVIS'tir. Metodun dayandığı temel prensipler şöyle sıralanabilir; stres kuvvetlerinin yüksek viskozite değerlerinde korunumu, ani sıcaklık iletim sabitlerinde ısının ve kimyasal akışın korunumu, güçlü adveksiyon akımlarındaki yoğunluğun, sıcaklığın ve kimyasal kompozisyonun korunumu (Taras V. Gerya & Yuen, 2003). Modeller kapsamında okyanusal litosferin yaşı 50 milyon yıldan 120 milyon yıla 10'ar artırılarak denemiştir. Plaka yakınsama hızı 4 cm./yıl ve 8 cm./yıl olarak tanımlanıştır. Model sınırları ise düşeyde 1400 km., yatayda 4000 km. olarak tanımlanmıştır. Modellerde kullanılan katmanların jeolojisi şöyle tanımlanmıştır; 10 km atmosfer, 2 km. okyanus, 20 km. felsik üst kıtasal kabuk (ıslak kuartzite), 15 km. felsik alt kabuk (ıslak kurtzite), 3 km. üsk okyanusal kabuk (basalt), 5 km. alt okyanusal kabuk (gabrro) ve 2 km. genişliğinde zayıflık zonu için hidratlaşmış manto kullanılmıştır. Dalma batma ile ilgili model sonucu, Sunda Yayının jeodinamik evrimi ile ilgili gözlemlerle karşılaştırılabilir. Plaka hareketinin yakınsak hızı göz önüne alınarak sismik profillerle karşılaştırıldığında manto yapısı ve volkaniklerin kimyasal bileşim dağılımı jeokimya çalışmaları ile bağıntılıdır.