Geochemical variations in magmatic rocks from southern Costa Rica as a consequence of Cocos Ridge subduction and uplift of the Cordillera de Talamanca DISSERTATION zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Georg-August-Universität zu Göttingen vorgelegt von MICHAEL ABRATIS aus Oldenburg/Holstein Göttingen 1998 D7 Referent: Prof. Dr. Gerhard Wörner Korreferent: Prof. Dr. Bent Hansen Tag der mündlichen Prüfung: 4. November 1998 Pour ma femme Catherine LE SANG DE LA TERRE COULE DANS LES VEINES DU VOLCAN. Katia et Maurice Krafft Abstract III Abstract The Cordillera de Talamanca, which constitutes the magmatic arc in SE Costa Rica, its related forearc (Fila Costeña) and backarc region (Limon Basin) are a segment of the Central American arc system. To describe and explain the Neogene to Quaternary magmatic evolution of this segment of the Central American arc system, I investigated the geochemical and isotopic (Sr, Nd, Pb) composition of magmatic rocks. The results indicate various magma sources for the igneous rocks in this region. The evolution of the magmatic system is temporally and genetically related to the ridge-trench collision of Cocos Ridge and Central America. With increasing arc maturity, magmatic products change from arc-tholeiitic to calc-alkaline magma compositions in Costa Rica. These changes take place during the Miocene. Prior to collision of the Cocos Ridge and SE Costa Rica, erupted magmas had their source in the mantle wedge. This is in accordance with generally accepted models for arc magmatism. Derivation from a depleted, sediment and fluid modified mantle source is documented by the isotopic and trace element signature (Nb/Zr: 0.03-0.09, Ba/La: 20-134, 87Sr/86Sr: 0.7036- 0.7042, 143Nd/144Nd: 0.51300-0.51304, 206Pb/204Pb: 18.72-18.87). When the Cocos Ridge collided with SE Costa Rica, this “normal” arc magmatism ended and a gap formed in the chain of arc volcanoes. Simultaneously with the collision event, alkaline magmas started to erupt in the backarc region. Their composition is geochemically and isotopically distinct from the former arc magmatic products (Nb/Zr: 0.17-0.46, Ba/La: 13-19, 87Sr/86Sr: 0.7035-0.7036, 143Nd/144Nd: 0.51297-0.51298, 206Pb/204Pb: 19.06-19.12), indicating derivation from decompressional melting of new upwelling sub-slab mantle material. Tapping of this new magma source occurred when the subducting plate ruptured and opened a slab window in response to ridge- trench collision. A temporal and spatial association of alkalic backarc magmatism with the slab window formation can be shown by 40Ar/39Ar dating. From this it has to be concluded that the slab window opened in a north-westward direction, consistent also with the direction of decreasing sub-Costa Rican mantle wedge contamination by enriched Galapagos plume mantle. Shortly after collision and backarc activity, minor volumes of calc-alkaline lavas erupted in the Fila Costeña (inner forearc), very close to the trench. Adakites erupted as the latest phase of magmatic activity at the location of previously voluminous calc-alkaline arc magmatism. Adakites are considered to be products of partial melting of hydrated oceanic crust which could have formed when hot upwelling sub-slab asthenosphere came in contact with subducted oceanic crust at the slab window margins. Under these rare circumstances of slab window opening, adakites could be formed even in a fast converging subduction zone. Kurzfassung IV Kurzfassung 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 Arc-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-tholeiitischen 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 Schmelzbildungen relativ verarmten, aber mit Sedimenten und Fluiden von der subduzierenden Platte modifizierten 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: 0.51300-0.51304, 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 Mittelamerikas. Gleichzeitig mit dem Kollisionsereignis eruptieren und intrudieren 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: 0.51297-0.51298, 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 schmelzen 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 Kurzfassung V Geochronologie an den Backarc Magmatiten kann die Erweiterung des Fensters in nordwestliche Richtung abgelesenen 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 Nicaragua 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 Schmelzprodukte aus hydratisierter, subduzierter, basaltischer Kruste, haben sich in diesem Fall gebildet, als heiße, aufsteigende Asthenosphäre die Ränder des Fensters 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 Aufschmelzen der Kruste nicht ermöglicht hätte. CONTENTS VI CONTENTS ABSTRACT............................................................................................................................III KURZFASSUNG ................................................................................................................... IV Abbreviations........................................................................................................................... XI 1 INTRODUCTION..............................................................................................................1 1.1 OBJECTIVES ..............................................................................................................................................1 1.2 GEOLOGICAL SETTING ..............................................................................................................................3 1.2.1 Magmatic geological history of Costa Rica.....................................................................................3 1.2.2 Geology of the Cordillera de Talamanca.........................................................................................7