Juan Luis Valera Rubio

modelelor

2010-A
Descărcați pdf

Reînnoirea sau întinerirea litosferei continentale este un subiect de cercetare vechi și încă slab înțeles. Îndepărtarea mantalei litosferice continentale poate fi dedusă din diferite observabile geofizice, cum ar fi fluxul de căldură de suprafață anormal de ridicat, ridicarea regională, schimbarea regimului de solicitare de la compresiv la extins și prezența plăcilor reci (sau a plăcilor litosferice) și a activității. în regiuni îndepărtate de zonele de subducție.

S-au propus diferite mecanisme pentru a explica această îndepărtare a mantalei litosferice, care poate fi clasificată în trei grupuri mari (de exemplu, Houseman și colab., 2001): subducția și detașarea mantalei litosferice continentale, îndepărtarea convectivă și delaminarea continentală. Primele două mecanisme presupun că după vărsare se dezvoltă o zonă subțiată. Cu toate acestea, conform unor studii numerice recente, acest lucru nu se întâmplă. Numai prin introducerea unor reologii slabe în mecanismul de îndepărtare convectivă se poate obține o astfel de subțiere. În schimb, subțierea litosferică este inerentă mecanismului de delaminare propus de Bird (1979). Acest mecanism explică faptul că, având în vedere o „conductă cu vâscozitate redusă” care pune în contact astenosfera și scoarța inferioară, materialul astenosferic se poate ridica și extinde lateral de-a lungul Moho, rupând sau „delaminând” scoarța mantalei litosferice, care ar scufunda în astenosferă datorită contrastului de flotabilitate.

În ultimii ani, mecanismul de delaminare continentală a fost propus într-o mare varietate de zone geologice, dar, în ciuda acestui fapt, există foarte puține modele fizice ale mecanismului, astfel încât aspectele de bază ale delaminării rămân slab înțelese. Schott și Schmeling (1998) au modelat mecanismul de delaminare dintr-o stare inițială orogenă și au studiat condițiile de inițiere a acestui mecanism. Morency și Doin (2004) au prezentat un studiu detaliat în care au folosit simulări numerice termomecanice pentru a investiga condițiile de inițiere și propagare a delaminării continentale. Mai recent, Gö? Ü? și Pysklywec (2008a) au prezentat o comparație între rezultatele pentru anumite observabile „aproape de suprafață” obținute cu un model numeric reprezentativ de delaminare și alte rezultate obținute cu modele de îndepărtare convectivă.

În această teză de doctorat folosim modelarea numerică pentru a studia mecanismul continental de delaminare cu migrație laterală a punctului de delaminare și contact direct între astenosferă și crustă. Am dezvoltat un cod numeric termomecanic cu o abordare vâscoasă pentru a modela și caracteriza mecanismul de delaminare continentală și l-am aplicat la două „laboratoare naturale”: Marea Alboran și munții din sudul Sierra Nevada din California. Aplicarea codului la zone cu geometrii inițiale diferite arată versatilitatea codului dezvoltat și ne permite să evaluăm cantitativ câteva modele conceptuale propuse pentru evoluția acestor zone. Scopul nostru nu este de a explica evoluția geodinamică a zonelor într-un mod închis, ci de a verifica dacă codul nostru poate reproduce modelele conceptuale propuse și de a studia care observabile de ordinul întâi pot fi explicate prin mecanismul de delaminare.

Datorită interacțiunii puternice dintre diferite materiale, cum ar fi scoarța, mantaua litosferică și astenosferă, delaminarea continentală este un proces geodinamic foarte potrivit pentru studiul cuplării termice și mecanice dintre comportamentul fragil și ductil al acestor materiale. A doua parte a acestei teze de doctorat prezintă o nouă metodologie care face posibilă reproducerea simultană a comportamentului fragil și ductil și modelarea formării spontane a benzilor de forfecare care sunt interpretate ca defecte. Această metodologie a fost dezvoltată în timpul unei șederi scurte de șase luni la Universitatea Goethe din Frankfurt pe Main, sub îndrumarea prof. Dr. Harro Schmeling.

Mecanismul de delaminare continentală este consecința forțelor de plutire. Prin urmare, sub o abordare vâscoasă, procesul fizic este guvernat de ecuațiile cuplate ale conservării masei, energiei și momentului. Am considerat un flux bidimensional, am neglijat forțele inerțiale și am aplicat Aproximarea extinsă Boussinesq pentru a obține ecuațiile noastre finale. Am aplicat o schemă de diferențe finite pentru a discreționa ecuațiile, care a fost implementată într-un cod numeric scris în limbajul MATLAB. Au fost efectuate diferite teste de validare numerică, inclusiv compararea cu soluția analitică într-o aplicație specifică.

Am realizat o modelare și caracterizare numerică a delaminării continentale, comparând rezultatele obținute cu modele mecanice (independente de temperatură) și modele termomecanice (dependente de temperatură) pentru mecanismul de delaminare și pentru mecanismul de îndepărtare convectivă, un mecanism care a fost deja pe scară largă studiat anterior. De asemenea, analizăm efectul stratificării vâscozității, consecințele variației densității crustei orogene inferioare și am explorat efectul geometriei „conductei cu vâscozitate redusă” și a materialului din care este compusă.

Rezultatele noastre arată, spre deosebire de modelele conceptuale, dar în acord cu modelele numerice anterioare, că îndepărtarea convectivă nu produce subțierea corticală sau litosferică semnificativă sau detașarea rădăcinii litosferice care se scufundă. Dimpotrivă, modelele noastre reproduc subțierea litosferică inerentă mecanismului de delaminare, împreună cu o migrație laterală puternică a plăcii delaminate. Arătăm în această lucrare că migrația laterală este foarte sensibilă la variația vâscozității în mantaua litosferică și, în al doilea rând, la variația vâscozității astenosferei. O creștere de doar un ordin de mărime a vâscozității maxime a litosferei produce o schimbare de la o delaminare bine dezvoltată cu o deplasare mare a punctului de delaminare la o inhibare completă a acestui proces. Dezvoltarea mecanismului de delaminare este, de asemenea, favorizată de o viscozitate scăzută și o crustă inferioară orogenă de densitate mare. Ambele condiții pot fi legate de prezența eclogitului în cortexul orogen inferior.

Migrarea punctului de delaminare este însoțită de îngroșarea corticală în fața punctului de migrare a delaminării și subțierea corticală în spate. Îngroșarea corticală este cauzată de rezistența cuplării vâscoase cu mantaua litosferică care se scufundă, iar Moho poate atinge adâncimi mai mari de 100 km. Mai mult, am arătat în lucru că mecanismul de delaminare este foarte eficient în producerea subțierii semnificative a cortexului îngroșat anterior. Această subțire și îngroșare este în principal găzduită în cortexul inferior, mai puțin vâscos. Pe măsură ce crește densitatea scoarței orogene inferioare, materialul cortical antrenat capătă o formă îngustă și alungită, foarte asemănătoare cu geometria tipică a scoarței în zonele de subducție oceanică.

Prezența „conductei cu vâscozitate redusă” în mantaua litosferică s-a dovedit a fi crucială pentru reproducerea mecanismului de delaminare. Această conductă declanșează delaminarea, permițând materialului astenosferic mai cald și mai puțin dens să înlocuiască materialul litosferic. Deși natura conductei, indiferent dacă este formată dintr-o manta litosferică cu vâscozitate redusă sau din material astenosferic, nu afectează în mod semnificativ dezvoltarea mecanismului, conducta trebuie să fie suficient de largă pentru a permite materialului astenosferic să crească. Conform acestor rezultate, slăbirea litosferică produsă prin mecanisme de deshidratare (Schott și Schmeling, 1998) sau prin procese de subțire termică (Arcay și colab., 2007), ambele asociate cu episoadele anterioare de subducție sunt mecanisme plauzibile pentru formarea conductelor/zona cu viscozitate scăzută, deoarece creează zone de slăbiciune mai largi decât alte mecanisme propuse în literatura de specialitate, cum ar fi liniile vulcanice sau fracturile litosferice.

În raport cu aplicația la Marea Alboran, modelarea noastră numerică reproduce în mod satisfăcător trăsăturile fundamentale ale modelului conceptual propus de Calvert și colab. (2000). Rezultatele noastre prezic că scoarța inferioară, în ciuda densității sale scăzute, se scufundă în manta la adâncimi de 100-150 km. Prezența materialului cortical la adâncimi mari a fost legată anterior de existența unei zone cu viteză seismică redusă în care apariția seismicității de adâncime intermediară este situată în regiunea de studiu.

Am aplicat codul nostru pentru a studia evoluția Sierra Nevada, California, dintr-un model de migrație laterală a cedării unei rădăcini batolitice dense. Configurația inițială este foarte diferită de cazul Mării Alboran, care ilustrează versatilitatea codului numeric. În această regiune s-a prezis că procesele de deshidratare legate de subducția oceanică anterioară ar fi putut produce o zonă de slăbiciune, pe care o asociem cu „conducta noastră cu vâscozitate scăzută”. Rezultatele modelului oferă o explicație atât pentru îndepărtarea materialului litosferic dens, cât și pentru prezența unei anomalii seismice de mare viteză de scufundare spre est observată în scanările CT. În acest fel, modelarea noastră ar susține modelul conceptual propus de Zandt și colab. (2004) pentru evoluția regiunii. Elevarea bruscă a regiunii, anizotropia seismică și magmatismul sunt observabile, de asemenea, compatibile cu predicțiile modelului nostru numeric.

În mod clar, modelele 3D și introducerea reologiei neliniare ar permite o înțelegere mai completă a evoluției geodinamice a acestor regiuni. Trebuie să includem în viitor topografia dinamică, precum și procesele de fuziune parțială și variațiile laterale ale densității care au fost observate recent în astenosferă (Afonso și colab., 2008). Toate acestea sunt îmbunătățiri care rămân ca lucrări viitoare de dezvoltat.

În a doua parte a acestei teze de doctorat introducem o nouă metodologie care reproduce simultan comportamentul fragil și ductil al materialului. Delaminarea este un proces în care se produc interacțiuni puternice între materiale cu un comportament foarte diferit, cum ar fi scoarța, materialul litosferic și astenosfera. Pentru a aprofunda înțelegerea delaminării, este interesant studierea cuplării termice și mecanice între comportamentul fragil și cel ductil. Noua metodologie pe care o prezentăm se bazează pe vâscozitatea anizotropă. Eliberarea plasticului de-a lungul planurilor de forfecare este simulată prin reducerea vâscozității de forfecare în direcția deformării, un unghi care se calculează în funcție de unghiul de frecare intern. În comparație cu studiile anterioare, această nouă metodologie de „plasticitate anizotropă” necesită o formulare teoretică și numerică mai simplă și este mai puțin solicitantă din punct de vedere al calculului. Din aceste motive, putem include întreaga litosferă și mantaua superioară în simulările noastre, ținând cont de interacțiunile dintre ele. Am implementat această metodă într-un nou subprogram pentru codul FDCON (de ex. Schmeling și Marquart, 1991).

Trebuie să lucrăm în continuare până când această metodologie de „seismicitate anizotropă” poate fi aplicată laboratoarelor naturale; este necesar, de exemplu, să se includă evoluția timpului, dar rezultatele preliminare prezentate aici sunt promițătoare. Sperăm că dezvoltarea viitoare a acestei metodologii ne va permite să modelăm procesele litosferice controlate de interacțiunea dintre litosferă și mantaua subiacentă, cum este cazul delaminării continentale.

În această teză de doctorat am dezvoltat teoretic și implementat în limbajul MATLAB un nou cod termo-mecanic numeric într-o abordare vâscoasă pentru modelarea și caracterizarea delaminării continentale a litosferei cu migrarea laterală a punctului de delaminare. Conform rezultatelor noastre, dezvoltarea procesului este favorizată de o crustă orogenă cu vâscozitate scăzută cu densitate mare. Migrația laterală este foarte sensibilă la variația vâscozității mantei litosferice și este însoțită de îngroșare crustală și litosferică în fața punctului de delaminare și subțierea crustală și litosferică în spatele punctului de delaminare. Materialul crustal târât adoptă o formă îngustă alungită, foarte asemănătoare cu geometria tipică a crustei în zonele de subducție oceanică. Am aplicat codul nostru la două «laboratoare naturale»: Marea Alboran și munții din sudul Sierra Nevada, California. În ambele cazuri, rezultatele noastre reproduc numeric modele conceptuale propuse anterior și ne permit să explicăm diferite observabile din fiecare regiune.

Delaminarea este un cadru foarte potrivit pentru a studia și modela cuplarea comportamentului fragil și ductil al diferitelor materiale datorită interacțiunii dintre materialul crustal, litosferic și astenosferic. Am dezvoltat în limbajul FORTRAN o nouă subrutină la codul FDCON, pentru a implementa o nouă metodologie totală pentru a reproduce simultan comportamentul fragil și ductil. Rezultatele noastre preliminare arată că localizarea tensiunii în benzile de forfecare se reproduce numai prin scăderea vâscozității forfecate, menținând vâscozitatea normală constantă, fără a se înmuia tensiunea. Unghiul obținut pentru benzile de forfecare emergente coincide cu unghiul Arthur. Dezvoltarea și îmbunătățirea noii metodologii prezentate este înscrisă într-un domeniu de cercetare foarte inovator și s-ar putea alătura unui nou mod de modelare a dinamicii litosferice, care încorporează procesele britanice într-o abordare vâscoasă.

Partea I: Modele termomecanice vâscoase6

1.1- Întinerirea litosferei continentale7