Creation and destruction of lower continental crust - Springer Link

259 Geologische Rundschau 80/2 I 259-278

I

Stuttgart 1991

Creation and destruction of lower continental crust By R. W. KAY and S. 1VIAHLBURG-KAY,Ithaca*) With 5 figures und 3 tables

Zusammenfassung Die Gesamtzusammenfassung der Kontinentalen Kruste resnltiert aus dem Massenaustausch zwischen Kruste und Mantel. Krustenzuwachs erfolgt hauptsfichlich beim Aufstieg in und durch die Kruste yon aus dem Mantel abstammenden Basalt an konvergierenden Plattengrenzen und zum geringeren Teil Plattenintern. Der Krustenabbau wird erreicht per Subduktion der obersten Kruste, durch subkrustale Erosion an konvergierenden Plattengrenzen (Sedimente, Elemente kontinentaler Herkunft yon hydrothermal verfinderter ozeanischer Kruste). Dies wird hervorgerufen v o n d e r Schichtspaltung der untersten Kruste nach der Verdichtung durch die Gabbro-Eklogit-Phasentransformation, welche in der Krusten-Mantel-DichteInversion resultiert. Da die Phasentransformation nur unter hohen Drficken stattfindet, werden tektonische M~ichtigkeitszunahmen der Kruste (> 50 km) ben6tigt. Die unterste Kruste in Bereichen von konvergierenden Kontinent-Ozean und Kontinent-Kontinent Plattengrenzen unterliegt einer gr6f3eren Wahrscheinlichkeit vorfibergehende Mfichtigkeitszunahmen zu erfahren als platteninterne Kruste. Dementsprechend ist die Erhaltungswahrscheinlichkeit von mafischer unterer Kruste ffir platteninterne Bereiche gr613er als ffir Plattengrenzen. Schichtspaltung von mafischer unterer Kruste ist der Hauptprozef3 basisch zusammengesetzte Gesteine aus der Kruste zu entferhen, hierbei wird die Kruste in Richtung ~>andesitischegeochemisch bilanziertem< Profilen aus druckhaft

deformierten Zonen. Weiterhin sprechen d a ~ r hohe La/Yb-Werte, das Fehlen von Eu-Anomalien und hohe Sr-Gehalte, wie sie an der Basis tektonisch verdickter Kruste in Magmen, die aus der tiefen Kruste stammen, gefunden werden. Diese krustalen Magmen werden h~ufig von Mantelbasalten begleitet, die zu Krustenhebung und Dehnung in Verbindung stehen; beides im Zusammenhang stehend zu der gleichzeitig stattfindenden Schichtspaltung der unterlagernden Mantellithosph~ire.

Abstract Bulk continental crustal composition results from the net mass exchange between crust and mantle. Crustal addition is mainly by the rise of mantle-derived melts into and through the crust at convergent plate margins and (at a lower rate) within plate interiors. Crustal subtraction occurs by subduction of uppermost crust (sediment, continent-derived elements in hydrothermally altered oceanic crust), by subcrustal erosion at convergent margins and by delamination of lowermost crust following densifying gabbro-eclogite phase transformations that result in a crust-mantle density inversion. As the phase transformations only occur at high pressure, tectonic overthickening of the crust (to > 50 kin) is required. The lowermost crust at continent-ocean and continent-continent convergent plate margins is more likely to experience these transient overthickening events (compressional orogenies) than is intraplate crust. Correspondingly, the preservation probability of mafic

Authors' addresses: R. W. KAY, Department of Geological Sciences and INSTOC, Snee Hall, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA and Lab. de Geoch. et Cosmoch., IPG Paris, France and S. MAHLBtJR~KAY, INSTOC, Snee Hall, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA.

Manuscript received: 6. 6. 1990; accepted: 7. 3. 1991

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lower crust is greater for intraplate than for plate margin localities. Delamination of mafic lower crust is the main process for removing basic composition rocks from the crust, thereby creating >>andesitic>geochemically balance&< cross section of compressional belts, and from the high La/Yb ratios, lack of Eu anomalies, and high Sr contents in deep crustallyderived magmas from the base of tectonically overthickened crust. These crustal magmas are often accompanied by mantle-derived basalts associated with crustal uplift and extension, both related to the coincident delamination of underlying mantle lithosphere.

R6sum6 La composition d'ensemble de la crofite continentale rdsulte des dchanges entre la crofite et le manteau. Uapport dans la crofite provient en ordre principal de la montde de basalte d'origine mantdlique qui s'opdre aux bordures des plaques convergentes et, dans une moindre mesure, ~a l'intdrieur des plaques. Le ddpart hors de la crofite se produit par la subduction de la croftte supdrieure (sddiments, dldments ddrivds des continents dans la crofite ocdanique affectde d'altdration hydrothermale), par drosion subcrustale le long des marges convergentes et par ddlamination/a la base de la crofite, les transformations de phase gabbro-dclogitiques entraP, ant une augmentation de densitd et une inversion de densitd entre crofite et manteau. Comme ces transformations de phases ne se produisent qu'h haute pression, elles impliquent un 6paississement tectonique de la crofite (jusqu'h plus de 50 Kin). Le domaine probable de tels dpaississement est la pattie infdrieure de la crofite en bordure des plaques convergentes continentocdan ou continent-continent (orogdnes de compression), plut6t que la crofite intra-plaque. Inversdment, la probabilitd de conversion d'une crofite infdrieure mafique est plus dlevde au milieu des plaques que sur leurs bordures. La ddlamination de la crofite infdrieure est le processus courant d'appauvrissement de la crofite en roches mafiques, avec crdation d'une composition crustale ,>anddsitiquegdochimiquement 6quilibrds~ dans les ceintures en compression, ainsi que des rapports La/Yb dlevds, de l'absence d'anomalie de l'Eu et des hautes teneurs en Sr dans les magmas ddrivds de la partie profonde des crofites tectoniquement dpaissies.

Ces magmas crustaux sont souvent accompagnds de basaltes d'origine mantdlique associds h u n sou16vement et h une extension crustale, ces deux processus dtant lids ~ la ddlamination concommittante de la lithosphdre mantdlique sousjacente.

KpaTKOecoAep:~KaHHe O6tt~rffI COCTaB MaTepI~OBOfI KOpbI eCTb pe3yJIbTaT o6MeHa MaccaM~ Me~4Iy 3eMHOh KOpOfI. Marrrnef~. YToJinlei-~e KOpbI gadJnojIaeTc~ ra. o6p. npn nojII~wm~ 6a3aJIbWOB MaHT,J~ S Kopy, KOTOpOe --Jlew no rpaHI~IaM c6ar~Karonlnxcs nariT I/I 3I-Iaq.TeJIbHO pez~e qepe3 nopo~,~ CaM~X nJIHT. YTor~qeHHe KopH npoHcxoJIrlT rip, 3acacbiBa.nn sepxHei~ ee qacTn, npn 3po3nn c x o ~ c a rpaHtnl~ nJ~gT (OTJIO~eHrI~, 9~eMeHT~I MaTepm>possibility>eclogiticPerspective>delaminationTYG>gabbro-exlogiteeclogitic>eclogitic>eclogitic, REE and Sr characteristics (Table 3, column 1) to indicate a mantle source. Following SUN et al. (1989), we suggest that, such as is the case for many calc-alkaline andesites with relatively high Ni and Cr content (e.g. KAY & KAY, 1985b), the magmas are mixed, and contain a mafic basaltic (or komatiitic?) component with high Ni and Cr and Mg number. The experimental mixtures of CAm~OLL& WYLLm (1989) mimic these magmas (see Table 2, columns 1, 2). Additionally, the low Mg number of the felsic component of these mixtures would be low due to fractionation in an oxidizing environment as is common for calc-alkafine series fractionation (e.g. KAY & KAY, 1985b; RtrrHERmm~ & DEVINe, 1988). Of course, with a shallow hydrous mantle peridotite source, STERN et al. (1989) must fractionate the REE and Sr at a stage earlier than formation of the magmas themselves - the mantle source is pre- enriched. We suggest that the fractionation took place in equilibrium with eclogite at deep crustal levels corresponding to overthickened crust of the last stages (the intrusions are >>post orogenic