Хуан Луїс Валера Рубіо

застосування

2010-А
Завантажити pdf

Оновлення або омолодження континентальної літосфери - стара і досі недостатньо вивчена тема досліджень. Про видалення континентальної літосферної мантії можна зробити висновок з різних геофізичних спостережуваних моментів, таких як аномально високий поверхневий тепловий потік, регіональне підняття, зміна режиму напруги з стискаючого на екстенсивний, а також наявність холодних плит (або літосферних плит) та активності. Magmatic в регіонах, віддалених від зон субдукції.

Для пояснення цього видалення літосферної мантії було запропоновано різні механізми, які можна класифікувати на три великі групи (наприклад, Houseman et al., 2001): субдукція та відшарування континентальної літосферної мантії, конвективне видалення та континентальне розшарування. Перші два механізми припускають, що після осипання розвивається стоншена ділянка. Однак, згідно з останніми чисельними дослідженнями, цього не відбувається. Лише шляхом введення слабкої реології в механізм конвективного видалення можна отримати таке витончення. Натомість літосферне стоншення властиве механізму розшарування, запропонованому Bird (1979). Цей механізм пояснює, що, маючи на увазі `` трубопровід з низькою в'язкістю '', який приводить в контакт астеносферу і нижню кору, астеносферний матеріал може підніматися і розширюватися в бік уздовж Мохо, розриваючи або "розшаровуючи" кору літосферної мантії, яка буде тонути в астеносферу через контраст плавучості.

В останні роки континентальний механізм відшарування був запропонований у найрізноманітніших геологічних районах, але, незважаючи на це, існує дуже мало фізичних моделей механізму, тому основні аспекти відшарування залишаються недостатньо вивченими. Шотт і Шмелінг (1998) змоделювали механізм розшарування з початкового орогенного стану та вивчили умови ініціації цього механізму. Моренсі та Доін (2004) представили детальне дослідження, де вони використовували термомеханічні чисельні моделювання для дослідження умов ініціювання та поширення континентального відшарування. Зовсім недавно, Gö? Ü? і Pysklywec (2008a) представили порівняння між результатами для деяких спостережень «біля поверхні», отриманими з репрезентативною числовою моделлю розшарування, та іншими результатами, отриманими за допомогою моделей конвективного видалення.

У цій докторській дисертації ми використовуємо чисельне моделювання для вивчення континентального механізму розшарування з бічною міграцією точки розшарування та прямим контактом між астеносферою та корою. Ми розробили термомеханічний числовий код з в'язким підходом для моделювання та характеристики континентального механізму відшарування та застосували його до двох "природних лабораторій": Альборанського моря та південних гір Сьєрра-Невади в Каліфорнії. Застосування коду до областей з різною початковою геометрією показує багатогранність розробленого коду і дозволяє кількісно оцінити деякі концептуальні моделі, запропоновані для еволюції цих областей. Наша мета - не пояснити геодинамічну еволюцію зон закритим способом, а перевірити, чи може наш код відтворити запропоновані концептуальні моделі та вивчити, які спостережувані першого порядку можна пояснити механізмом розшарування.

Через сильну взаємодію між різними матеріалами, такими як кора, літосферна мантія та астеносфера, континентальне розшарування є дуже підходящим геодинамічним процесом для вивчення теплової та механічної зв'язку між крихкою та пластичною поведінкою цих матеріалів. Друга частина даної докторської дисертації представляє нову методологію, яка дозволяє одночасно відтворювати крихку та пластичну поведінку та моделювати спонтанне утворення зсувних смуг, які трактуються як несправності. Ця методологія була розроблена під час короткого шестимісячного перебування в Університеті Гете у Франкфурті-на-Майні під керівництвом професора д-ра Гарро Шмелінга.

Механізм відшарування континенту є наслідком сил плавучості. Тому за в'язкого підходу фізичний процес регулюється пов'язаними рівняннями збереження маси, енергії та моменту. Ми розглянули двовимірний потік, нехтуючи інерційними силами, і застосували Розширене наближення Буссінеска, щоб отримати наші кінцеві рівняння. Ми застосували схему скінченних різниць для дискретизації рівнянь, яка була реалізована в числовому коді, написаному мовою MATLAB. Були проведені різні чисельні перевірочні тести, включаючи порівняння з аналітичним рішенням у конкретному застосуванні.

Ми провели чисельне моделювання та характеристику континентального розшарування, порівнюючи результати, отримані з механічними моделями (незалежно від температури) та термомеханічними моделями (залежно від температури) для механізму розшарування та для механізму конвективного видалення, механізму, який вже широко розроблений вивчався раніше. Ми також аналізуємо вплив розшарування в'язкості, наслідки зміни щільності нижньої орогенної кори та досліджували вплив геометрії "трубопроводу з низькою в'язкістю" та матеріалу, з якого він складається.

Наші результати показують, на відміну від концептуальних моделей, але на узгодження з попередніми чисельними моделями, що конвективне видалення не призводить до значного кортикального або літосферного витончення або відшарування тонучого літосферного кореня. Навпаки, наші моделі відтворюють літосферне стоншення, властиве механізму розшарування, разом із сильним поперечним переміщенням відшарованої плити. У цій роботі ми показуємо, що бічна міграція дуже чутлива до зміни в'язкості в літосферній мантії, і, по-друге, до зміни в'язкості астеносфери. Збільшення лише на порядок максимальної в'язкості літосфери спричиняє перехід від добре розвиненого розшарування з великим зміщенням точки розшарування до повного гальмування цього процесу. Розвитку механізму розшарування сприяє також низька в'язкість і орогенна нижня кірка високої щільності. Обидва умови можуть бути пов'язані з наявністю еклогіту в нижній орогенній корі.

Міграція точки відшарування супроводжується потовщенням кори перед мігруючою точкою розшарування та витонченням кори ззаду. Кортове потовщення спричинене в'язким зчепленням із зануреною літосферною мантією, і Мохо може досягати глибини понад 100 км. Крім того, ми показали у своїй роботі, що механізм розшарування є дуже ефективним у виробленні значного витончення раніше потовщеної кори. Це витончення і потовщення в основному відбувається в нижній, менш в’язкій корі. Зі збільшенням щільності нижньої орогенної кори, захоплений корковий матеріал приймає вузьку і витягнуту форму, дуже схожу на типову геометрію кори в районах океанічної субдукції.

Встановлено, що наявність `` трубопроводу з низькою в'язкістю '' в літосферній мантії має вирішальне значення для відтворення механізму розшарування. Цей трубопровід викликає розшарування, дозволяючи більш теплому і менш щільному астеносферному матеріалу замінити літосферний матеріал. Хоча природа трубопроводу, чи то він сформований з літосферної мантії з низькою в'язкістю або з астеносферного матеріалу, суттєво не впливає на розвиток механізму, трубопровід повинен бути досить широким, щоб астеносферний матеріал міг підніматися. Відповідно до цих результатів, ослаблення літосфери, спричинене механізмами дегідратації (Schott and Schmeling, 1998) або процесами термічного розрідження (Arcay et al., 2007), обидва пов'язані з попередніми епізодами субдукції, є вірогідними механізмами утворення каналів/зони низької в'язкості, оскільки вони створюють зони слабкості, які є ширшими за інші механізми, запропоновані в літературі, такі як вулканічні лінії або переломи літосфери.

Щодо застосування до Альборанського моря, наше чисельне моделювання задовільно відтворює основні особливості концептуальної моделі, запропонованої Calvert et al. (2000). Наші результати прогнозують, що нижня кора, незважаючи на свою низьку щільність, опускається в мантію на глибинах 100-150 км. Наявність кортикального матеріалу на великих глибинах раніше була пов’язана із існуванням зони з низькою сейсмічною швидкістю, в якій у досліджуваному регіоні розташована поява сейсмічності середньої глибини.

Ми застосували наш код для вивчення еволюції Сьєрра-Невади, Каліфорнія, на основі моделі бічної міграції просідання щільного батолітичного кореня. Початкова конфігурація сильно відрізняється від випадку з Альборанським морем, що ілюструє універсальність цифрового коду. У цьому регіоні передбачалося, що процеси дегідратації, пов'язані з попередньою океанічною субдукцією, могли створити зону слабкості, яку ми асоціюємо з нашим `` трубопроводом з низькою в'язкістю ''. Результати моделі дають пояснення як видаленню щільного літосферного матеріалу, так і наявності високошвидкісної сейсмічної аномалії на схід, яка спостерігається під час КТ. Таким чином, наше моделювання підтримало б концептуальну модель, запропоновану Зандтом та ін. (2004) для розвитку регіону. Раптове піднесення регіону, сейсмічна анізотропія та магматизм, що спостерігаються, також сумісні з прогнозами нашої чисельної моделі.

Очевидно, що тривимірні моделі та впровадження нелінійної реології дозволять більш повно зрозуміти геодинамічну еволюцію цих регіонів. Ми повинні включити в майбутнє динамічну топографію, а також часткові процеси синтезу та бічні коливання щільності, які нещодавно спостерігались в астеносфері (Afonso et al., 2008). Все це вдосконалення, які залишаються як майбутня робота, яку слід розвивати.

У другій частині цієї докторської дисертації ми представляємо нову методологію, яка одночасно відтворює крихку та пластичну поведінку матеріалу. Деламінація - це процес, при якому між матеріалами з дуже різною поведінкою, такими як кора, літосферний матеріал та астеносфера, відбувається сильна взаємодія. Для поглиблення розуміння розшарування цікавим є дослідження теплової та механічної зв'язку між крихкою та пластичною поведінкою. Нова методологія, яку ми представляємо, базується на анізотропній в'язкості. Випуск пластику вздовж площин зсуву моделюється шляхом зменшення зсувної в’язкості в напрямку деформації, кута, який обчислюється залежно від кута внутрішнього тертя. Порівняно з попередніми дослідженнями, ця нова методологія "анізотропної пластичності" вимагає більш простого теоретичного та чисельного формулювання та менш вимоглива до обчислень. З цих причин ми можемо включити всю літосферу та верхню мантію в наші моделювання, враховуючи взаємодію між ними. Ми застосували цей метод у новій підпрограмі для коду FDCON (наприклад, Schmeling та Marquart, 1991).

Ми повинні продовжувати працювати, доки цю методологію «анізотропної сейсмічності» не можна буде застосовувати до природних лабораторій; необхідно, наприклад, включити еволюцію часу, але попередні результати, представлені тут, є багатообіцяючими. Ми сподіваємось, що подальший розвиток цієї методології дозволить нам моделювати літосферні процеси, керовані взаємодією між літосферою та підстилаючою мантією, як це відбувається у випадку континентальної деламінації.

У цій кандидатській дисертації ми теоретично розробили та впровадили мовою MATLAB новий чисельний термомеханічний код у в’язкому підході до моделювання та характеристики відшарування континентальної літосфери з бічною міграцією точки розшарування. Згідно з нашими результатами, розвитку процесу сприяє орогенна низьковязка нижня кірка високої щільності. Бічна міграція дуже чутлива до змін в'язкості мантії літосфери і супроводжується потовщенням кори та літосфери перед точкою відшарування та витонченням кори та літосфери в задній частині точки відшарування. Затягнутий матеріал кори приймає вузьку видовжену форму, дуже схожу на типову геометрію кори в зонах океанічної субдукції. Ми застосували наш код до двох «природних лабораторій»: Альборанського моря та південної гори Сьєрра-Невада, Каліфорнія. В обох випадках наші результати чисельно відтворюють запропоновані раніше концептуальні моделі і дозволяють пояснити різні спостережувані дані в кожному регіоні.

Деламінація є дуже підходящим каркасом для вивчення та моделювання зв'язку крихкої та пластичної поведінки різних матеріалів завдяки взаємодії між земною корою, літосферним та астеносферним матеріалом. Ми розробили мовою FORTRAN нову підпрограму коду FDCON, щоб впровадити нову повністю методологію для одночасного відтворення крихкої та пластичної поведінки. Наші попередні результати показують, що локалізація деформації в зсувних смугах відтворюється лише за рахунок зниження зсувної в'язкості, підтримуючи нормальну в'язкість постійною, без пом'якшення деформації. Отриманий кут для нових смуг зсуву збігається з кутом Артура. Розвиток та вдосконалення представленої нової методології закладено в дуже інноваційну науково-дослідну сферу, і це може приєднатися до цілковито нового напрямку моделювання літосферної динаміки, який включає британські процеси у в’язкому підході.

Частина I: В'язкі термомеханічні моделі6

1.1- Омолодження континентальної літосфери7