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Deformation behavior and seismic anisotropy of Tibetan lithosphere

Yang, Yu (2020) Deformation behavior and seismic anisotropy of Tibetan lithosphere.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Abart, Rainer

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DOI: 10.25365/thesis.64710
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-19644.48911.236484-1

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Abstract in English

Volcanism brings up mantle xenoliths that provide insights into the composition, structure and tectonic evolution of the Earth’s mantle. Peridotite and subordinate pyroxenite are the main rock types in the continental lithospheric mantle. In this study, peridotite xenoliths from the southwestern, central and northeastern Tibetan Plateau were investigated using microstructural, geochemical and simulation techniques to constrain their deformation history and relationships to geophysical seismic analysis in each region. Peridotite xenoliths in southwestern Tibet that were brought to the surface from upper mantle by Miocene potassic volcanism show crystal preferred orientation of their olivine with a concentration of the [010] directions and a large circle girdle of the [100] and [001] directions (AG-type) with a seismic polarization anisotropy of 4.6 % on average for shear waves propagating in directions parallel to the girdle plane. Peridotite and pyroxenite xenoliths in the central Tibet were exhumed by Eocene volcanism in the Qiangtang terrane. The peridotite xenoliths can be divided into two fabric types. The xenoliths that represent the uppermost lithospheric mantle are refractory and exhibit AG-type olivine fabric. In contrast, the xenoliths from the lower part were re-fertilized and display a different fabric characterized by B-type with dominant activation of the [001](010) slip system. Peridotite xenoliths in northeastern Tibet erupted between 7.1 and 23 Ma by alkaline and ultra-mafic volcanisms. The olivine fabric mainly shows AG-type, with a few (010)[100] patterns (A-type). Unlike the xenoliths from southwestern and central Tibet, these peridotite xenoliths are characterized by an extraordinary strong anisotropy with 8 % on average. The limited seismic anisotropy of peridotite xenoliths from southwestern Tibet could not explain the large delay times (1.5 - 2.0 s) observed in this area. Thus, we propose that the additional mechanism is due to the presence of partially molten domains with high aspect ratio that are aligned sub-vertically enhancing the effect of the anisotropy of the peridotites on SKS splitting. The abrupt change of the fast polarization direction from south to central Tibet may reflect the change of the fabric of olivine, which is fundamentally different in the northward subducting Indian lithospheric mantle and in the lithospheric mantle beneath central Tibet. In central Tibet, the velocity structure from lower crust to upper mantle was reconstructed based on the seismic properties of xenoliths, which reveal a vertical dichotomy of the mantle. The possible scenario of deformation leading to a heterogenous mantle is that at an early stage a pre-existing refractory lithospheric mantle experienced a small degree of partial melting. Subsequently, it was heated from the bottom and formed a fertile mantle in the lower part with B-type olivine fabric. The peridotite xenoliths from northeastern Tibet with strong anisotropy of 8 % can cause about 1.16s delay times. This finding may end the long-term discrepancy on mechanisms for delay times that are comparable to those in central Tibet, while the thickness of lithosphere in northeastern Tibet is thinner than in southern and central Tibet.

Schlagwörter in Englisch

Mantle xenoliths / Crystal preferred orientation / Tibetan Plateau / Seismic anisotropy / Mantle deformation

Abstract in German

Durch Vulkanismus werden Xenolithe an die Erdoberfläche gefördert, welche Einblicke in die Zusammensetzung, die Struktur und die tektonische Entwicklung des umgebenden Erdmantels liefern. In dieser Studie wurden Peridotit Xenolithe aus dem südwestlichen, dem zentralen und dem nordöstlichen Tibetischen Plateau mittels microstructureller und geochemischer Methoden und mittels Simulationstechniken untersucht um ihre Deformationsgeschichte mit geophysikalisch seismologischen Analysen in den verschiedenen Regionen in Beziehung zu setzen. Die Peridotite, die im südwestlichen Tibet durch miozänen kalireichen Vulkanismus an die Oberfläche gebracht wurden, zeigen kristallographisch bevorzugte Orientierungen ihrer Olivine mit einer Konzentration der [010] Richtungen und einer Gürtelverteilung der [100] und [001] Richtungen entlang eines Großkreises (AG-Typ) mit einer durchschnittlichen Polarisationsanisotropie von 4.6% für Scherwellen, deren Ausbreitungsrichtungen in der Ebene des Großkreisgürtels liegen. In der Qiangtang Region in Zentraltibet wurden Peridotit und Pyroxenit Xenolithe durch eozänen Vulkanismus an die Oberfläche gebracht. Die Peridotit Xenlithe können in zwei Gefügegruppen unterteilt werden: Die Xenolithe, welche den obersten lithosphärischen Mantel repräsentieren, sind refraktär und zeigen ein Olivingefüge des AG Typs. Im Gegensatz dazu sind die Xenolithe aus dem tieferen Bereich re-vertilisiert und zeigen ein anderes Gefüge vom B Typ, das durch eine bevorzugte Aktivierung des [001](010) Gleitsystems gekenzeichnet ist. Die Peridotite aus dem nordöstlichen Tibet wurden vor 7.1 bis 23 Millionen Jahren im Zuge von alkalischem und ultranafischem Vulkanismus gefördert. Das Olivingefüge ist vornehmlich vom AG Typ mit wenigen (010)[100] Mustern (A-type). Im Gegensatz zu den Xenolithen aus dem südwestlichen und zentralen Tibet, zeigen diese Xenolithe extrem starke Anisotropie von durchschnittlich 8%. Die schwache seismische Anisotropie der Peridotit Xenolithe aus dem südwestlichen Tibet konnte die grossen im südlichen Tibet beobachteten Wellenverzögerungen von 1.5 -2.0 s bei aufgespaltenen Scherwellen nicht erklären. Wir schlagen als Erklärung für die grossen Wellenverzögerungen das Vorhandensein von vertikal gelagerten linsen- bzw. lagenförmigen teilgeschmolzenen Bereichen vor, welche den Effekt der Anisotropie der Peridotite auf die Aufspaltung von Scherwellen verstärken. Der abrupte Wechsel der schnellen Polarisationsrichtung von südlichen zum zentralen Tibet dürfte einen Wechsel im Gefüge des Olivins reflektieren, welches in der nach Norden subduzierenden Indischen Lithosphäre grundsätzlich anders als im lithosphärischen Mantel unterhalb von Zentraltibet ist. Für Zentraltibet wurde die Geschwindigkeitsstruktur von der unteren Kruste in den Mantel basierend auf den seismischen Eigenschaften von Xenolithen rekonstruiert und zeigt eine vertikale Zweiteilung des Mantels. Ein mögliches Szeanrio für die Deformationsgeschichte, die zu einem heterogenen Mantel führte, besteht darin, dass in einem frühen Stadium ein prä-existierender Mantel partiell aufgeschmolzen wurde. Danach wurde der Mantel von unten aufgeheizt und im unteren Bereich bildete sich eine vertile Zone mit einem B-Typ Olivingefüge. Die Peridotite aus dem nordöstlichen Tibet mit einer starken Anisotropie von 8% würden Wellenverzögerungszeiten von ca. 1.16 s verursachen. Dies löst eine lange währende Diskusiosn über die ähnlichen Wellenverzögerungszeiten wie im zentralen Tibet, während die Lithsophäre im nordöstlichen Tibet dünner als im südlichen und zentralen Tibet ist.

Schlagwörter in Deutsch

Peridotit xenolithe / kristallographisch bevorzugte Orientierungen / Tibetischen Plateau / seismische Anisotropie

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Yang, Yu
Title: Deformation behavior and seismic anisotropy of Tibetan lithosphere
Subtitle: constraints from mantle xenoliths
Umfangsangabe: 218 Seiten
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Erdwissenschaften)
Publication year: 2020
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Abart, Rainer
2. Supervisor: Ntaflos, Theodoros
Assessor: Abart, Rainer
2. Assessor: Ntaflos, Theodoros
Classification: 38 Geowissenschaften > 38.10 Geologie: Allgemeines
38 Geowissenschaften > 38.79 Geophysik: Sonstiges
AC Number: AC16217373
Item ID: 64710
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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