Хуан Луис Валера Рубио
2010-А
Изтеглете pdf
Обновяването или подмладяването на континенталната литосфера е стара и все още слабо разбрана изследователска тема. Отстраняването на континенталната литосферна мантия може да се заключи от различни геофизични наблюдения, като необичайно висок повърхностен топлинен поток, регионално издигане, промяна в режима на напрежение от компресивен към екстензивен и наличие на студени плочи (или литосферни плочи) и активност. Magmatic в региони, далеч от зоните на субдукция.
Предложени са различни механизми за обяснение на това премахване на литосферната мантия, които могат да бъдат класифицирани в три големи групи (например Houseman et al., 2001): субдукция и откъсване на континенталната литосферна мантия, конвективно отстраняване и континентално разслояване. Първите два механизма предполагат, че след проливането се развива изтънена област. Според последните числени изследвания обаче това не се случва. Само чрез въвеждане на слаби реологии в конвективния механизъм за отстраняване може да се получи такова изтъняване. За разлика от тях, изтъняването на литосферите е присъщо на механизма за разслояване, предложен от Bird (1979). Този механизъм обяснява, че като се има предвид „канал с нисък вискозитет“, който поставя астеносферата и долната кора в контакт, астеносферният материал може да се издигне и разшири странично по Мохо, разкъсвайки или „разслоявайки“ кората на литосферната мантия, която ще потъне в астеносферата поради контраста на плаваемост.
През последните години механизмът за континентално разслояване е предложен в голямо разнообразие от геоложки райони, но въпреки това има много малко физически модели на механизма, така че основните аспекти на разслояването остават слабо разбрани. Schott и Schmeling (1998) моделират механизма на разслояване от орогенно начално състояние и изучават условията за иницииране на този механизъм. Моренси и Доин (2004) представиха подробно проучване, където те използваха термомеханични цифрови симулации, за да изследват условията на иницииране и разпространение на континенталната деламинация. Съвсем наскоро, Gö? Ü? и Pysklywec (2008a) представиха сравнение между резултатите за някои наблюдения в близост до повърхността, получени с представителен числен модел на разслояване, и други резултати, получени с конвективни модели за отстраняване.
В тази докторска дисертация използваме числено моделиране за изследване на континенталния механизъм на разслояване с странична миграция на точката на разслояване и с директен контакт между астеносферата и кората. Разработихме термомеханичен цифров код с вискозен подход за моделиране и характеризиране на континенталния механизъм за разслояване и го приложихме към две „естествени лаборатории“: Алборанско море и южните планини Сиера Невада в Калифорния. Прилагането на кода към области с различни начални геометрии показва многостранността на разработения код и ни позволява да оценим количествено някои концептуални модели, предложени за еволюцията на тези области. Нашата цел не е да обясним геодинамичната еволюция на зоните по затворен начин, а да проверим дали нашият код може да възпроизведе предложените концептуални модели и да проучи кои наблюдения от първи ред могат да бъдат обяснени чрез механизма на разслояване.
Поради силното взаимодействие между различни материали като кора, литосферна мантия и астеносфера, континенталното разслояване е много подходящ геодинамичен процес за изследване на термичното и механично свързване между крехкото и пластично поведение на тези материали. Втората част на тази докторска дисертация представя нова методология, която дава възможност едновременно да се възпроизвеждат крехко и пластично поведение и да се моделира спонтанното образуване на срязващи ленти, които се интерпретират като грешки. Тази методология е разработена по време на кратък шестмесечен престой в университета Гьоте във Франкфурт на Майн, под ръководството на проф. Д-р Харо Шмелинг.
Механизмът на континенталното разслояване е следствие от плаващите сили. Следователно, при вискозен подход, физическият процес се управлява от свързаните уравнения за запазване на масата, енергията и инерцията. Ние разгледахме двумерен поток, пренебрегнахме инерционните сили и приложихме разширеното приближение на Бусинеск, за да получим окончателните си уравнения. Приложихме схема за крайна разлика за дискретизиране на уравненията, която е внедрена в цифров код, написан на език MATLAB. Извършени са различни тестове за валидиране, включително сравнението с аналитичното решение в конкретно приложение.
Извършихме числено моделиране и характеризиране на континенталното разслояване, сравнявайки резултатите, получени с механични модели (независими от температурата) и термомеханични модели (в зависимост от температурата) за механизма за разслояване и за конвективния механизъм за отстраняване, механизъм, който вече е широко използван проучени преди това. Ние също така анализираме ефекта от стратификацията на вискозитета, последиците от промяната на плътността на долната орогенна кора и сме изследвали ефекта от геометрията на „тръбата с нисък вискозитет“ и от материала, от който е съставен.
Нашите резултати показват, за разлика от концептуалните модели, но в съгласие с предишни числени модели, че конвективното отстраняване не води до значително изтъняване на кората или литосферата или откъсване на потъващия литосферен корен. Напротив, нашите модели възпроизвеждат литосферното изтъняване, присъщо на механизма за разслояване, заедно със силна странична миграция на разслоената плоча. В тази работа ние показваме, че страничната миграция е много чувствителна към вариацията на вискозитета в литосферната мантия и, второ, към вариацията на вискозитета на астеносферата. Увеличението само с порядък на максималния вискозитет на литосферата води до промяна от добре развито разслояване с голямо изместване на точката на разслояване до пълно инхибиране на този процес. Развитието на механизма за разслояване се благоприятства и от ниския вискозитет и орогенната долна кора с висока плътност. И двете състояния могат да бъдат свързани с наличието на еклогит в долната орогенна кора.
Миграцията на точката на разслояване се придружава от удебеляване на кората пред мигриращата точка на разслояване и изтъняване на кората отзад. Удебеляването на кората е причинено от вискозно съединително съпротивление с потъващата литосферна мантия и Moho може да достигне дълбочина над 100 km. Освен това ние показахме в работата си, че механизмът на разслояване е много ефективен при значително изтъняване на предварително удебелена кора. Това изтъняване и удебеляване се настанява главно в долната, по-малко вискозна кора. Тъй като плътността в долната орогенна кора се увеличава, увлеченият кортикален материал приема тясна и продълговата форма, много подобна на типичната геометрия на кората в райони на океанска субдукция.
Наличието на „водопровод с нисък вискозитет“ в литосферната мантия се оказа решаващо за възпроизвеждането на механизма на разслояване. Този канал предизвиква разслояване, като позволява на по-топлия и по-малко плътен астеносферен материал да замени литосферния материал. Въпреки че естеството на тръбата, независимо дали е образувана от литосферна мантия с нисък вискозитет или от астеносферен материал, не оказва значително влияние върху развитието на механизма, каналът трябва да е достатъчно широк, за да позволи на астеносферния материал да се издигне. Според тези резултати литосферното отслабване, причинено от механизми за дехидратация (Schott и Schmeling, 1998) или от процеси на термично изтъняване (Arcay et al., 2007), и двете свързани с предишни епизоди на субдукция, са правдоподобни механизми за образуване на канали/зона с нисък вискозитет, тъй като те създават зони на слабост, които са по-широки от други механизми, предложени в литературата, като вулканични линии или литосферни фрактури.
Във връзка с приложението към Алборанско море, нашето числено моделиране възпроизвежда задоволително основните характеристики на концептуалния модел, предложен от Calvert et al. (2000). Нашите резултати прогнозират, че долната кора, въпреки ниската си плътност, потъва в мантията на дълбочини от 100-150 км. Наличието на кортикален материал на големи дълбочини по-рано е свързано със съществуването на зона с ниска сеизмична скорост, в която се намира сеизмичността със средна дълбочина в района на изследване.
Приложихме нашия код за изследване на еволюцията на Сиера Невада, Калифорния, от модела на странична миграция на слягането на плътен батолитен корен. Първоначалната конфигурация е много различна от случая с Алборанско море, което илюстрира гъвкавостта на цифровия код. В този регион беше предсказано, че процесите на дехидратация, свързани с предишната океанска субдукция, биха могли да създадат зона на слабост, която ние свързваме с нашия „нисковискозен канал“. Резултатите от модела дават обяснение както за отстраняването на плътен литосферен материал, така и за наличието на потапяща на изток високоскоростна сеизмична аномалия, наблюдавана при CT сканиране. По този начин нашето моделиране би подкрепило концептуалния модел, предложен от Zandt et al. (2004) за еволюцията на региона. Внезапното издигане на района, сеизмичната анизотропия и магматизмът са също наблюдаеми, съвместими с предсказанията на нашия числен модел.
Ясно е, че 3D моделите и въвеждането на нелинейна реология биха позволили по-пълно разбиране на геодинамичната еволюция на тези региони. Трябва да включим в бъдещето динамичната топография, както и частичните процеси на сливане и страничните вариации в плътността, които наскоро се наблюдават в астеносферата (Afonso et al., 2008). Всичко това са подобрения, които остават като бъдеща работа, която трябва да се разработи.
Във втората част на тази докторска дисертация въвеждаме нова методология, която едновременно възпроизвежда крехкото и пластично поведение на материала. Деламинирането е процес, при който има силни взаимодействия между материали с много различно поведение, като кора, литосферен материал и астеносфера. За да се задълбочи разбирането за разслояване, е интересно изследването на термичното и механично свързване между чупливото и пластичното поведение. Новата методология, която представяме, се основава на анизотропен вискозитет. Отделянето на пластмаса по срязващите равнини се симулира чрез намаляване на срязващия вискозитет в посока на деформация, ъгъл, който се изчислява в зависимост от вътрешния ъгъл на триене. В сравнение с предишни изследвания, тази нова методология за „анизотропна пластичност“ изисква по-проста теоретична и числена формулировка и е по-малко изчислителна. Поради тези причини можем да включим цялата си литосфера и горната мантия в нашите симулации, като вземем предвид взаимодействията между тях. Ние внедрихме този метод в нова подпрограма за кода FDCON (напр. Schmeling и Marquart, 1991).
Трябва да продължим да работим, докато тази методология за „анизотропна сеизмичност“ не може да бъде приложена към естествените лаборатории; необходимо е например да се включи еволюцията на времето, но представените тук предварителни резултати са обещаващи. Надяваме се, че бъдещото развитие на тази методология ще ни позволи да моделираме литосферни процеси, контролирани от взаимодействието между литосферата и подлежащата мантия, какъвто е случаят с континенталното разслояване.
В тази докторска дисертация ние теоретично разработихме и внедрихме на език MATLAB нов цифров термомеханичен код във вискозен подход за моделиране и характеризиране на разслояване на континенталната литосфера с странична миграция на точката на разслояване. Според нашите резултати развитието на процеса се благоприятства от орогенна нисковискозна ниска кора с висока плътност. Страничната миграция е много чувствителна към изменението на вискозитета на литосферната мантия и е придружена от удебеляване на кора и литосфера пред точката на разслояване и изтъняване на кората и литосферата в задната част на точката на разслояване. Влаченият материал на земната кора приема тясна удължена форма, много подобна на типичната геометрия на кората в океанските зони на субдукция. Приложихме нашия код към две «природни лаборатории»: Алборанско море и южните планини Сиера Невада, Калифорния. И в двата случая резултатите ни възпроизвеждат числено предложените концептуални модели и ни позволяват да обясним различните наблюдения за всеки регион.
Деламинирането е много подходяща рамка за изследване и моделиране на свързването на крехкото и пластично поведение на различни материали поради взаимодействието между кора, литосферен и астеносферен материал. Разработихме на език FORTRAN нова подпрограма към кода FDCON, за да внедрим нова изцяло методология за едновременно възпроизвеждане на крехкото и пластично поведение. Нашите предварителни резултати показват, че локализацията на деформация в лентите на срязване се възпроизвежда само чрез понижаване на вискозитета на срязване, поддържайки нормалния вискозитет постоянен, без омекотяване на деформацията. Полученият ъгъл за възникващите срязващи ленти съвпада с ъгъла на Артур. Разработването и усъвършенстването на представената нова методология е вписано в много иновативна изследователска област и може да се присъедини към изцяло нов път на моделиране на литосферната динамика, който включва британски процеси в вискозен подход.
Част I: Вискозни термомеханични модели6
1.1- Подмладяване на континенталната литосфера7