Разработване и приложение на термомеханични числени модели на процесите на разслояване
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.