Juan Luis Valera Rubio
2010-A
Letöltés pdf
A kontinentális litoszféra megújulása vagy megújulása régi és még mindig kevéssé ismert kutatási téma. A kontinentális litoszférikus köpeny eltávolítására különböző geofizikai megfigyelhető tényezőkből következtethetünk, például rendellenesen magas felületi hőáram, regionális emelkedés, a stressz rezsimjének változása kompressziósról extenzívre, hideg födémek (vagy litoszférikus födémek) és aktivitás jelenléte. a szubdukciós zónáktól távoli régiókban.
Különböző mechanizmusokat javasoltak a litoszferikus köpeny ezen eltávolításának magyarázatára, amely három nagy csoportba sorolható (pl. Houseman és mtsai., 2001): a kontinentális litoszferikus köpeny szubdukciója és leválása, konvektív eltávolítása és a kontinentális delaminálása. Az első két mechanizmus feltételezi, hogy a leválás után elvékonyodott terület alakul ki. A legújabb numerikus vizsgálatok szerint azonban ez nem történik meg. Csak gyenge reológiák bevezetésével a konvektív eltávolító mechanizmusba lehet ilyen elvékonyodást elérni. Ezzel szemben a litoszferikus elvékonyodás a Bird (1979) által javasolt delaminálási mechanizmusban rejlik. Ez a mechanizmus megmagyarázza, hogy egy „alacsony viszkozitású vezeték” esetén, amely érintkezésbe hozza az astenoszférát és az alsó kérget, az astenoszférikus anyag oldalirányban felemelkedhet és kitágulhat a Moho mentén, letépve vagy „leválasztva” a litoszferikus köpeny kéregét, amely elsüllyedne a felhajtókontraszt miatt az astenoszférába.
Az elmúlt években a kontinentális delaminálási mechanizmust a legkülönbözőbb geológiai területeken javasolták, de ennek ellenére a mechanizmusnak nagyon kevés fizikai modellje létezik, így a delaminálás alapvető aspektusait továbbra sem ismerik megfelelően. Schott és Schmeling (1998) orogén kezdeti állapotból modellezte a delaminálódási mechanizmust, és tanulmányozta ennek a mechanizmusnak az iniciációs körülményeit. Morency és Doin (2004) részletes tanulmányt mutattak be, ahol termomechanikus numerikus szimulációkkal vizsgálták a kontinentális delamináció megindulásának és terjedésének feltételeit. Újabban Gö? és Pysklywec (2008a) összehasonlítást mutatott be egyes „felszínközeli” megfigyelhetőségek reprezentatív numerikus modelljével kapott eredményei és a konvektív eltávolítási modellekkel kapott egyéb eredmények között.
Ebben a doktori disszertációban numerikus modellezéssel vizsgáljuk a kontinentális delaminációs mechanizmust a delaminációs pont oldalirányú vándorlásával, valamint az astenoszféra és a kéreg közvetlen érintkezésével. Kidolgoztunk egy termomechanikus numerikus kódot viszkózus megközelítéssel a kontinentális delaminációs mechanizmus modellezésére és jellemzésére, és két „természetes laboratóriumban” alkalmaztuk: az Alborán-tengerre és a kaliforniai Sierra Nevada déli hegyeire. A kód különböző kezdeti geometriájú zónákra való alkalmazása megmutatja a kifejlesztett kód sokoldalúságát, és lehetővé teszi számunkra, hogy kvantitatív módon értékeljük az e zónák evolúciójára javasolt néhány koncepcionális modellt. Célunk nem az, hogy zárt módon elmagyarázzuk a zónák geodinamikai evolúcióját, hanem annak ellenőrzése, hogy kódunk képes-e reprodukálni a javasolt koncepcionális modelleket, és megvizsgálni, hogy az elsőrendű megfigyelhetőségeket a delaminációs mechanizmus miként magyarázhatja.
A különböző anyagok, például a kéreg, a litoszferikus köpeny és az astenoszféra közötti erős kölcsönhatás miatt a kontinentális delaminálás nagyon alkalmas geodinamikai folyamat ezen anyagok törékeny és képlékeny viselkedése közötti termikus és mechanikai kapcsolatok tanulmányozására. A doktori értekezés második része egy új módszertant mutat be, amely lehetővé teszi a törékeny és a képlékeny viselkedés egyidejű reprodukcióját és a hibaként értelmezett nyírószalagok spontán kialakulásának modellezését. Ezt a módszertant rövid hat hónapos tartózkodás alatt dolgozták ki a Frankfurt am Maini Goethe Egyetemen, Dr. Harro Schmeling professzor irányításával.
A kontinentális delaminációs mechanizmus a felhajtóerők következménye. Ezért viszkózus megközelítés mellett a fizikai folyamatot a tömeg, az energia és a lendület megőrzésének összekapcsolt egyenletei irányítják. Kétdimenziós áramlást vettünk figyelembe, elhanyagoltuk a tehetetlenségi erőket, és kiterjesztett Boussinesq közelítést alkalmaztunk végső egyenleteink megszerzéséhez. Az egyenletek diszkretizálásához véges különbségsémát alkalmaztunk, amelyet MATLAB nyelven írt numerikus kódban valósítottunk meg. Különböző numerikus validációs teszteket végeztek, beleértve az analitikai oldattal való összehasonlítást egy adott alkalmazásban.
A kontinentális delaminálás numerikus modellezését és jellemzését végeztük, összehasonlítva a mechanikai modellekkel (a hőmérséklettől függetlenül) és a termomechanikus modellekkel (a hőmérséklettől függően) kapott eredményeket a delamináló mechanizmus és a konvektív eltávolító mechanizmus esetében, amely mechanizmus már eddig is jelentős korábban tanulmányozták. Elemezzük továbbá a viszkozitásrétegzés hatását, az alsó orogén kéreg sűrűségének változtatásának következményeit, és feltártuk az „alacsony viszkozitású vezeték” geometriájának és az anyagnak a hatását.
Eredményeink azt mutatják, hogy a koncepcionális modellekkel ellentétben, de összhangban a korábbi numerikus modellekkel, a konvektív eltávolítás nem eredményez jelentős kortikális vagy litoszferikus elvékonyodást vagy a süllyedő litoszferikus gyökér leválását. Éppen ellenkezőleg, modelljeink reprodukálják a delamináló mechanizmusban rejlő litoszferikus elvékonyodást, valamint a delaminált födém erős oldalirányú vándorlását. Ebben a munkában megmutatjuk, hogy az oldalirányú migráció nagyon érzékeny a litoszferikus köpeny viszkozitásának változására, másodsorban pedig az astenoszféra viszkozitásának változására. A litoszféra maximális viszkozitásának csak nagyságrenddel történő növekedése változást eredményez a jól fejlett delaminálódásból a delaminálási pont nagy elmozdulásával a folyamat teljes gátlásáig. A delaminálási mechanizmus fejlődését az alacsony viszkozitás és a nagy sűrűségű orogén alacsonyabb kéreg is elősegíti. Mindkét állapot összefüggésbe hozható az öklogit jelenlétével az alsó orogén kéregben.
A delaminálási pont migrációja kortikális megvastagodással jár a delaminálódás migrációs pontja előtt, és a kéreg elvékonyodása mögött. Az agykérgi megvastagodását a süllyedő litoszférikus palást viszkózus összekapcsolódása okozza, és a Moho több mint 100 km mélységet érhet el. Munkánk során bebizonyítottuk továbbá, hogy a delaminálási mechanizmus nagyon hatékonyan elősegíti a korábban megvastagodott kéreg jelentős elvékonyodását. Ez a vékonyodás és megvastagodás főleg az alsó, kevésbé viszkózus kéregben helyezkedik el. Az alsó orogén kéreg sűrűségének növekedésével a magába foglaló kérgi anyag keskeny és hosszúkás alakot ölt, nagyon hasonló a kéreg tipikus geometriájához az óceáni szubdukció területein.
Az „alacsony viszkozitású vezeték” jelenléte a litoszferikus köpenyben bebizonyosodott, hogy kulcsfontosságú a delamináló mechanizmus reprodukálásához. Ez a csatorna kiváltja az elhatárolódást azáltal, hogy a melegebb és kevésbé sűrű asztenoszférikus anyag helyettesíti a litoszferikus anyagot. Bár a vezeték jellege, függetlenül attól, hogy alacsony viszkozitású litoszférikus palástból vagy asztenoszférikus anyagból van-e kialakítva, nem befolyásolja jelentősen a mechanizmus fejlődését, a vezetéknek azonban elég szélesnek kell lennie ahhoz, hogy az aszféroszferikus anyag felemelkedhessen. Ezen eredmények szerint a dehidrációs mechanizmusok (Schott és Schmeling, 1998) vagy a termikus hígítási folyamatok (Arcay és mtsai, 2007) által előidézett litoszféra gyengülés, mindkettő a korábbi szubdukciós epizódokkal társítva, hihető mechanizmus a csatorna kialakulásának/alacsony viszkozitású zónának, mivel olyan gyengeségi zónákat hoznak létre, amelyek szélesebbek, mint az irodalomban javasolt egyéb mechanizmusok, például vulkanikus vonalak vagy litoszferikus törések.
Az Alborán-tengeren történő alkalmazással kapcsolatban numerikus modellezésünk kielégítően megismétli a Calvert és mtsai által javasolt koncepcionális modell alapvető jellemzőit. (2000). Eredményeink azt jósolják, hogy az alsó kéreg alacsony sűrűsége ellenére 100-150 km mélységben a köpenybe süllyed. A kortikális anyag nagy mélységben való jelenléte korábban összefüggésben volt egy alacsony szeizmikus sebességű zóna létezésével, amelyben a közepes mélységű szeizmicitás előfordulása a vizsgálati régióban található.
Kódunkat arra használtuk, hogy tanulmányozzuk a kaliforniai Sierra Nevada evolúcióját egy sűrű batolit gyök süllyedésének oldalirányú migrációs modelljéből. A kezdeti konfiguráció nagyon eltér az Alborán-tenger esetétől, amely a numerikus kód sokoldalúságát szemlélteti. Ebben a régióban azt jósolták, hogy a korábbi óceáni szubdukcióhoz kapcsolódó dehidratációs folyamatok gyengeségi zónát eredményezhettek, amelyet összekapcsolunk „alacsony viszkozitású vezetékünkkel”. A modell eredményei magyarázatot adnak mind a sűrű litoszferikus anyag eltávolítására, mind pedig a CT-vizsgálatok során megfigyelt, kelet felé merülő nagy sebességű szeizmikus anomáliára. Ily módon modellezésünk támogatná a Zandt és mtsai által javasolt koncepcionális modellt. (2004) a régió evolúciójára. Megfigyelhető a régió hirtelen emelkedése, a szeizmikus anizotropia és a magmatizmus szintén numerikus modellünk előrejelzéseivel.
A 3D modellek és a nemlineáris reológia bevezetése egyértelműen lehetővé tennék e régiók geodinamikai evolúciójának teljesebb megértését. A jövőben figyelembe kell vennünk a dinamikus topográfiát, valamint a parciális fúziós folyamatokat és a sűrűség oldalirányú variációit, amelyeket a közelmúltban figyeltek meg az asztenoszférában (Afonso et al., 2008). Mindezek olyan fejlesztések, amelyek a jövőben fejlesztendő munkaként maradnak.
A doktori értekezés második részében egy új módszertant vezetünk be, amely egyszerre reprodukálja az anyag törékeny és képlékeny viselkedését. A delaminálás olyan folyamat, amelyben erős kölcsönhatások lépnek fel a nagyon eltérő viselkedésű anyagok, például a kéreg, a litoszféra és az astenoszféra között. A delaminálás megértésének elmélyítése érdekében érdekes a törékeny és a képlékeny viselkedés közötti termikus és mechanikus kapcsolatok vizsgálata. Az általunk bemutatott új módszertan anizotrop viszkozitáson alapul. A nyírási síkok mentén a műanyag felszabadulást a nyírási viszkozitásnak a deformáció irányában történő csökkentésével szimulálják, amely szöget a belső súrlódási szögtől függően számolják. A korábbi vizsgálatokhoz képest az „anizotróp plaszticitás” új módszertana egyszerűbb elméleti és numerikus megfogalmazást igényel, és kevésbé számítástechnikai igényű. Ezen okokból a teljes litoszférát és a felső palástot belefoglalhatjuk szimulációinkba, figyelembe véve a közöttük lévő kölcsönhatásokat. Ezt a módszert egy új szubrutinban valósítottuk meg az FDCON kóddal (pl. Schmeling és Marquart, 1991).
Addig kell folytatnunk a munkát, amíg ez az „anizotrop szeizmicitás” módszertan alkalmazható a természetes laboratóriumokban; szükséges például az időfejlődés beillesztése, de az itt bemutatott előzetes eredmények ígéretesek. Reméljük, hogy ennek a módszertannak a jövőbeni fejlesztése lehetővé teszi számunkra a litoszféra folyamatainak modellezését, amelyet a litoszféra és az alapjába tartozó köpeny kölcsönhatása vezérel, akárcsak a kontinentális delamináció.
Ebben a PhD értekezésben elméletileg kifejlesztettünk és MATLAB nyelven megvalósítottunk egy új numerikus termo-mechanikus kódot viszkózus megközelítésben a kontinentális litoszféra delaminációjának modellezésére és jellemzésére a delaminációs pont laterális migrációjával. Eredményeink szerint a folyamat fejlődését az orogén alacsony viszkozitású, nagy sűrűségű alacsonyabb kéreg elősegíti. Az oldalirányú vándorlás nagyon érzékeny a litoszferikus köpeny viszkozitásának változására, és kéreggel és litoszférával megvastagodik a delaminálási pont előtt, valamint a kéreg és a litoszfera elvékonyodik a delaminációs pont hátulján. A felhúzott kéreganyag keskeny, hosszúkás alakot ölel fel, nagyon hasonlít a kéreg tipikus geometriájához az óceáni szubdukciós zónákban. Kódunkat két «természetes laboratóriumban» alkalmaztuk: az Alborán-tengerre és a kaliforniai Sierra Nevada déli hegyeire. Eredményeink mindkét esetben számszerűen reprodukálják a korábban javasolt koncepcionális modelleket, és lehetővé teszik számunkra, hogy minden régió különböző megfigyelhetőségeit elmagyarázzuk.
A delaminálás nagyon alkalmas keretrendszer a különböző anyagok törékeny és képlékeny viselkedésének összekapcsolódásának tanulmányozására és modellezésére a kéreg, a litoszferikus és az aszteoszferikus anyagok kölcsönhatása miatt. FORTRAN nyelven kifejlesztettünk egy új szubrutint az FDCON kódhoz, hogy egy teljesen új módszertant alkalmazzunk a törékeny és képlékeny viselkedés egyidejű reprodukciójára. Előzetes eredményeink azt mutatják, hogy a nyírási sávokban a törzs lokalizációja csak a nyírási viszkozitás csökkentésével, a normál viszkozitás állandó szinten tartásával, a törzs lágyulása nélkül jön létre. A kialakuló nyírószalagok szöge egybeesik az Arthur szögével. A bemutatott új módszertan fejlesztése és fejlesztése egy nagyon innovatív kutatási területen szerepel, és csatlakozhat a litoszferikus dinamika modellezésének egy teljesen új útjához, amely a brit folyamatokat viszkózus megközelítésbe foglalja.
I. rész: Viszkózus termomechanikus modellek
1.1. A kontinentális litoszféra fiatalítása