Geochemical variations in magmatic rocks from southern Costa Rica as a consequence of Cocos Ridge subduction and uplift of the Cordillera de Talamanca

Abstract

Plattengrenzen sind üblicherweise die Orte auf der Erde, an denen eine hohe vulkanische Aktivität herrscht. So ist auch Mittelamerika, bedingt durch die Subduktion der Cocos Platte unter die Karibische Platte, vulkanisch eine der aktivsten Regionen weltweit. Im südlichen Costa Rica allerdings, sind im Gegensatz zu den benachbarten Gebieten derzeit keine aktiven Vulkane zu finden. Das betroffene und in dieser Arbeit untersuchte Segment des Mittelamerikanischen Arcs umfaßt die Cordillera de Talamanca als hauptmagmatischen Rücken, sowie die Fila Costeña als assoziierten Forearc und das Limon Becken als Backarc Bereich. Mit geochemischen, isotopengeologischen und geochronologischen Methoden wurde die Abfolge der Magmatite aus dieser Region untersucht. Eine Entwicklung des Magmatismus sollte Rückschlüsse auf mögliche Veränderungen in der Magmenbildungszone ermöglichen. Die Ergebnisse dokumentieren ein sehr vielfältiges Magmen Inventar in Südost Costa Rica, was nicht mit der Herkunft aus einer einzigen Magmenquelle zu erklären ist. Die Evolution des Magmatismus in der jüngeren Zeit ist zeitlich und offensichtlich auch genetisch mit der Kollision und Subduktion des Cocos Rückens unter diesen Abschnitt des Mittelamerikanischen Arcs verknüpft. Die Entwicklung des Magmatismus im Miozän belegt das Heranreifen des Südost Costa Ricanischen Acr-Segments: Arc-tholeiitische Magmen werden zunehmend von Kalk-alkalischen Magmen abgelöst. Letztere geben deutliche Hinweise auf eine sich aufbauende, verdickende Arc-Kruste, in der sie in Magmenkammern in hohem Maß Kristalle fraktionieren und Nebengestein assimilieren. Diese Magmen, die vor der Kollision des Cocos Rückens mit dem Arc gefördert werden, sowohl die Arc-toleiitischen als auch die Kalk-alkalischen Magmen, haben ihre Quelle im Mantelkeil über der subduzierenden Platte. Der Mantelkeil ist heute als der primäre Ort für die Bildung von Magmen an Subduktionszonen anerkannt. Die Herkunft der Magmen aus einer durch Schmelzbilungen relativ verarmten, aber mit Sedimenten und Fluiden von der subduzierenden Platte modzifizierten Mantelquelle dokumentiert sich in ihrer Spurenelement-Signatur und Isotopie (Nb/Zr: 0.03-0.09, Ba/La: 20-134, 87Sr/86Sr: 0.7036-0.7042, 143Nd/144Nd: o.51300-0.51304, 206Pb/204Pb: 18.72-18.87). Als der Cocos Rücken mit Südost Costa Rica kollidierte, endete dieser ''normale'' Arc-Magmatismus und es bildete sich eine Lücke in der Kette der Vulkane Mittel amerikas. Gleichzeitig mit dem Kollisionsereignis eruptieren und intrudiren alkalische Magmen im Backarc Bereich. Ihre Zusammensetzung ist geochemisch und isotopisch sehr verschieden von den vorangehenden magmatischen Produkten des Arcs (Nb/Zr: 0.17-0.46, Ba/La: 13-19, 87Sr/86Sr: 0.7035-0.7036, 143Nd/144Nd: 0.51297-051298,, 206Pb/204Pb: 19.06-19.12). Sie zeigen nur geringfügig die Signaturen der Subduktionszone und scheinen aus neuem, aufsteigenden Mantelmaterial zu stammen, welches bei der Dekompression zu schelzen beginnt. Aufgrund der geochemischen und isotopischen Ähnlichkeit zu Magmen, die vom Galapagos Hot Spot produziert wurden, kann angenommen werden, daß sie aus eben diesem Mantelmaterial gebildet werden, welches durch ein Fenster in der subduzierenden Platte in den Mantelkeil aufsteigt. Das Fenster hat sich wahrscheinlich in Folge der Cocos-Rücken Kollision gebildet, wobei die subduzierende Platte entlang von Transformstörungen aufriß, die in diesem Gebiet sehr zahlreich sind.! Der Zusammenhang zwischen Fensterbildung und Rückenkollision ergibt sich aus dem zeitlichen und räumlichen Bezug von Kollisionsereignis und Auftreten von Backarc Magmatismus als magmatischem Fensterindiz. Mit Hilfe der 40Ar/39Ar Geochronologie an den Backarc Magmatiten kann die Erweiterung des Fensters in nordwestliche Richtung abgelesen werden. In eben diese Richtung verbreitet sich auch die Kontamination des Mittelamerikanischen Mantelkeils mit Galapagos Plume Material, wie es sich in der Reihe der aktiven Vulkane in Costa Rica und Niaragua dokumentiert. Magmatische Aktivität, die lokal und zeitlich beschränkt in der Fila Costeña, nahe am Trench auftritt, markiert offenbar den Wiedereinsatz der Subduktion in der Region. Durch die dann sehr flach verlaufende Subduktion dieses Teilstücks der Cocos Platte bleibt späterer Arc-Magmatismus aus. Adakite eruptieren in der letzten Phase magmatischer Aktivität in Südost Costa Rica dort, wo zuvor voluminöser Kalk-alkalischer Arc-Magmatismus geherrscht hat. Diese partiellen Schmelzpordukte aus hydratisierter, subduzierter, basaltischer Kruste, haben sich in diesem Fall gebildet, als heiße, aufsteigende Asthenosphäre die Ränder des Fenster in der subduzierenden Platte, d.h. den sich nunmehr unterschiebenden Cocos Rücken, aufschmolz. Unter diesen besonderen Umständen mit Bildung eines Fensters in der subduzierenden Platte konnten sich Adakite bilden, wo ansonsten aufgrund der hohen Konvergenzraten der geothermische Gradient ein Aufshcmelzen der Kurste nicht ermöglicht hätte.