title: Subduction components and mantle dynamics during the evolution of the Lau–Tonga–Kermadec Arc-Backarc System
title: Subduktionskomponenten und Manteldynamiken während der Entwicklung des Lau–Tonga–Kermadec Arc-Backarc Systems
Creators: name: Myeong, Bora
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025

description: A subduction zone is the largest recycling location where sediments, oceanic crust, and mantle lithosphere return to and re-equilibrate with the Earth’s mantle, triggering melting and incidentally forming the continental crust. However, additional efforts are needed to gain further insights into the chemical recycling processes that occur during subduction to better comprehend the chemical evolution of the Earth’s mantle. A subduction zone causes the formation of a magmatic arc-trench complex, which is divided into the forearc, arc front, and back-arc. The characterization of a back-arc basin provides important insights into the interaction processes between two melting regions, driven by plate convergence and spreading, as well as the complexities of mantle flow and the pathways of subduction input with a diversity of magma compositions. Therefore, integrating our knowledge of back-arc and arc front volcanism can offer a much better understanding of the processes and dynamics of the entire subduction system. Despite the importance of understanding the back-arc–arc system, these systems remain poorly understood due to the intricacies of the processes influencing the composition of the arc-trench complex. To further understand the magma source during the evolution of the back-arc–arc system, I selected three areas in the Lau–Tonga–Kermadec subduction system in the southwestern Pacific, namely the Kermadec back-arc–arc system (south), Seamount 3 (S3; middle), and the northern Tonga Ridge (north). Each area exhibits a different back-arc evolution stage due to the decreasing spreading rate from north to south in the subduction system. Specifically, the Kermadec Arc-Backarc system is characterized by immature back-arc rifting but not focused spreading. The middle area represents the early stage of back-arc spreading, whereas the northern Lau Basin is a mature back-arc basin with several spreading centers and additional rifts in the arc and fore-arc regime. The Kermadec Arc-Backarc system (25–39°S), an immature back-arc rifting stage, serves as an important natural laboratory to examine the controls on arc magma compositions. This is due to the variable physical parameters that are thought to influence subduction magmatism, such as the thickness and composition of the upper plate, mantle depletion and partial melting, and the slab components, which vary along the arc. The analysis of back-arc and rear-arc volcanism provides insights into how mantle composition varies with distance from the trench. Here, I present new major and trace element data, as well as Pb–Sr–Nd–Hf isotope data for 101 lava samples from 10 volcanoes along the Kermadec Arc. These data are combined with published data for volcanic arc front, rear-arc, and back-arc lavas. Based on these data, I propose that geochemical variations result mainly from differences in the degree of partial melting, as well as the amount and composition of subducting slab components. To the north, the back-arc basin continuously develops with an increasing back-arc spreading rate. Boninite, a rare high-Si, high-Mg, low-Ti lava, has been reported from back-arcs, reararcs, and arc locations and can be generated in subduction-related environments such as subduction initiation (fore-arc or ophiolitic terrane) and back-arc–arc systems. Cooper et al. (2010) suggested that boninitic magma should be constrained to the arc regime, where remelting of highly depleted residual mantle beneath the arc regime occurs after the extraction of tholeiitic melts beneath the back-arc spreading center. However, in the early stage of back-arc spreading, boninite could be formed when the back-arc spreading centers are close to the arc front and exhibit mixed geochemical characteristics between dry and enriched (MORB-like) and wet and depleted mantle (arc-like). I conducted a study on boninitic magmatism at Volcano S3, which is located approximately 5 km east of the back-arc spreading center (Valu Fa Ridge; VFR) and has erupted boninitic lavas at 22.30°S. My findings suggest that boninitic lavas can form at back-arc spreading centers that are located close enough to an active arc, and I present new data on whole-rock compositions, minerals, and olivine-hosted melt inclusions to support this assertion. The northernmost Lau Basin represents the mature back-arc spreading stage, where the thin lithosphere derived from active back-arc spreading is extended. Here, I study the boninitic magmatism at the rifted Tonga Ridge (fore-arc crust). Normally, the petrogenesis of boninite at the fore-arc has been associated with subduction initiation. However, the boninitic magmas in the study area are not related to a subduction initiation event, as indicated by their younger age (around 1.3 Ma) compared to the Tonga fore-arc crust (&gt; 20 Ma). In this study, I present new whole-rock, mineral, and 40Ar–39Ar age data for the boninitic lavas from the rifted walls at the northern Tonga Ridge and propose that the lavas were formed by decompression melting of a highly depleted peridotite or harzburgite source containing a small trapped melt fraction enriched in fluid-mobile elements from the subduction materials.
description: Eine Subduktionszone ist ein Ort, an dem Sedimente, ozeanische Kruste und Mantel- Lithosphäre in großen Mengen in den Erdmantel zurückgeführt werden, wodurch einerseits Schmelzvorgänge ausgelöst werden, und andererseits neue kontinentale Kruste entsteht. Um die damit verbundenen Recyclingprozesse während der Subduktion besser zu verstehen und die chemische Entwicklung des Erdmantels nachvollziehen zu können, sind jedoch weitere Studien vonnöten. Eine Subduktionszone führt zur Bildung eines magmatischen Arc-Trench-Komplexes, der in Forearc, Arc Front und Back Arc unterteilt wird. Die Charakterisierung eines Back Arc-Beckens liefert wichtige Erkenntnisse, sowohl über die Interaktionsprozesse zwischen zwei Schmelzregionen, die durch Plattenkonvergenz und -spreizung angetrieben werden, als auch über die Komplexität des Mantelflusses sowie die Wege des subduzierten Eintrags, die mit einer Vielfalt von Magmazusammensetzungen assoziiert sind. Aus diesen Gründen kann das Einbringen unseres Wissens über den Back Arc and Forearc Vulkanismus zu einem besseren Verständnis über die Prozesse und die Dynamiken des gesamten Subduktionssystems ermöglichen. Trotz der Notwendigkeit das Back Arc-Arc-System zu verstehen, sind diese Systeme aufgrund der vielfältigen Prozesse, die die Zusammensetzung des Arc-Trench-Komplexes beeinflussen, nach wie vor schlecht verstanden. Um die Zusammensetzung der Schmelzregion während der Entwicklung des Back Arc-Systems besser zu verstehen, habe ich drei Gebiete im Lau–Tonga–Kermadec-Subduktionssystem im südwestlichen Pazifik ausgewählt, nämlich das Kermadec Arc-Back Arc-System (Süden), Seamount 3 (S3; Mitte) und den nördlichen Tonga Rücken (Norden). Jedes Gebiet weist aufgrund der von Norden nach Süden abnehmenden Spreizungsrate im Subduktionssystem ein anderes Back Arc-Entwicklungsstadium auf. Das Kermadec Arc-Back-Arc-System ist durch junges Back Arc Rifting, aber nicht durch fokussierte Spreizung gekennzeichnet. Das mittlere Gebiet repräsentiert das frühe Stadium der Back Arc-Spreizung, während das nördliche Lau-Becken ein vollentwickeltes und ausgeprägtes Back Arc-Becken mit mehreren Spreizungszentren und zusätzlichen Rifts im Arc- und Forearc darstellt. Das Kermadec Arc-Back Arc-System (25–39°S), ein junges Back Arc-Rifting-Stadium, dient als ein wichtiges natürliches Labor, um zu untersuchen welche Faktoren die Zusammensetzung der Arc Magmen kontrolliert. Dies liegt an den variablen physikalischen Parametern, von denen man annimmt, dass sie den Magmatismus innerhalb einer Subduktionszone beeinflussen, wie z. B. die Dicke und Zusammensetzung der oberen Platte, die Mantelverarmung und das partielle Schmelzen sowie die Komponenten der subduzierten Platte, die entlang des Arcs variieren. Die Untersuchung des Back Arc- und Rear Arc-Vulkanismus gibt Aufschluss darüber, wie die Zusammensetzung des Mantels mit der Entfernung zur Tiefseerinne variiert. Hier präsentiere ich neue Haupt- und Spurenelementdaten sowie Pb–Sr–Nd–Hf-Isotopendaten für 101 Lava- Proben von 10 Vulkanen entlang des Kermadec Arcs. Diese Daten werden mit bereits veröffentlichten Daten von Laven der Arc Front, dem Rear Arc und dem Back Arc kombiniert. Auf der Grundlage dieser Daten schlage ich vor, dass geochemische Variationen hauptsächlich auf Unterschiede im Aufschmelzgrad sowie der Menge und Zusammensetzung der Komponenten der subduzierenden Platte resultieren. Zum Norden hin entwickelt sich das Back Arc-Becken kontinuierlich mit einer zunehmenden Back Arc-Spreizungsrate. Boninite, seltene Laven mit hohem Si-Gehalt, hohem Mg-Gehalt und niedrigem Ti-Gehalt, wurden in Back Arcs, Rear Arcs und Forearcs gefunden und können in Konfigurationen, die mit Subduktionszonen assoziiert sind, wie Subduktionzonensinitiierung (Forearc oder Ophiolithe) und Back Arc-Arc-Systemen entstehen. Cooper et al. (2010) schlugen vor, dass boninitische Magmen auf das Arc-Regime beschränkt sein sollten, wo das Wiederaufschmelzen des stark abgereicherten Restmantels unter dem Arc-Regime nach der Extraktion tholeiitischer Schmelzen unter dem Back Arc-Spreizungszentrum stattfindet. Im Frühstadium der Back Arc-Spreizung könnten sich jedoch Boninite bilden, wenn die Back Arc- Spreizungszentren nahe an der Arc Front liegen und gemischte geochemische Eigenschaften zwischen trockenem und angereichertem (MORB-ähnlichem) und nassem und verarmten Mantel (Arc-ähnlichem) aufweisen. Ich habe eine Studie über boninitischen Magmatismus am Vulkan S3 durchgeführt, der sich etwa 5 km östlich des Back-Arc-Spreizungszentrums (Valu Fa Ridge; VFR) befindet und bei 22.30°S boninitische Laven eruptiert hat. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich boninitische Laven in Back Arc-Spreizungszentren bilden können, die nahe genug an einem aktiven Arc liegen, und ich präsentiere neue Daten von Gesamtgesteinsanalysen, Mineralen und Schmelzeinschlüssen aus Olivinen, um diese Behauptung zu stützen. Das nördlichste Lau-Becken repräsentiert ein entwickeltes Back Arc-Spreizungsstadium, in dem die dünne Lithosphäre, die aus der aktiven Back Arc-Spreizung hervorgeht, erweitert wird. Hier untersuche ich den boninitischen Magmatismus am gerifteten Tonga Rücken (Forearc Kruste). Normalerweise wird die Petrogenese von Boniniten an Forearcs mit dem Einsetzen der Subduktion in Verbindung gebracht. Die boninitischen Magmen im Untersuchungsgebiet sind jedoch nicht mit einer Subduktionszoneninitiierung verbunden, wie ihr jüngeres Alter (ca. 1,3 Ma) im Vergleich zur Tonga Forearc Kruste (&gt; 20 Ma) zeigt. In dieser Studie präsentiere ich neue Gesamtgesteins-, Mineral- und 40Ar–39Ar-Altersdaten für die boninitischen Laven von den gerifteten Hängen des nördlichen Tonga Rückens und schlage vor, dass die Laven durch Dekompressionsschmelzen einer stark verarmten Peridotit- oder Harzburgit-Quelle entstanden sind, die eine kleine eingeschlossene Schmelzfraktion enthält, die mit fluid-mobilen Elementen aus dem subduzierten Material angereichert ist.