Authors:	Püsök, Adina E.
Title:	Three-dimensional numerical modelling of subduction/collision and lithospheric deformation
Online publication date:	29-Jun-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	One of the most striking features of plate tectonics and lithospheric deformation is the India-Asia collision zone. It is no surprise then that understanding the formation and evolution of the abnormally thick and high Himalaya-Tibet region has been the focus of many tectonic and numerical models. While some of these models have successfully illustrated some of the basic physics of continental collision, none can simultaneously represent active processes such as subduction, underthrusting, delamination, channel flow or extrusion, which are thought to be important during continental convergence, since these mechanisms require the lithosphere to interact with the underlying mantle. Integrated 3-D models of lithosphere and mantle dynamics are needed to overcome these limitations. In this thesis, I perform systematic 3-D numerical simulations using the code LaMEM, and combine the numerical results with insights from semi-analytical models and scaling analysis to explore some fundamental aspects of continental collision and mountain-building dynamics in an India-Asia collision framework. I applied the models to investigate (i) how subduction and collision affect mountain-building processes and how large topographic plateaus can form in an integrated lithospheric and upper-mantle scale model, (ii) appropriate numerical and theoretical techniques for studying lithospheric deformation at convergent margins, and (iii) how the shape and convergence of Greater India affected the subsequent tectonic evolution of central and SE Asia. Obtaining anomalously high topographic amplitudes has been a challenge in previous 3-D collision models because contrasting processes simultaneously affect the development of topography. On one hand, continental collision promotes topography build-up through indentation. On the other hand, it also leads to slab break-off and lateral extrusion of material, which act to lower the topography. In a first part of the thesis (Chapter 3), 3-D results suggest that slab pull alone is insufficient to generate high topography, and that external forcing and the presence of heterogeneous strong blocks, such as the Tarim Basin, are necessary to create and shape anomalously high topographic fronts and plateaus. Moreover, different modes of surface expression are predicted in continental collision models, thus improving our understanding of how mountain-belts are formed and sustained. In the second part, I discuss a common numerical problem of the marker-in-cell method for staggered grids, that of conservative advection of markers (Chapter 2), and I test the effect of rheological approximations on mantle and lithosphere dynamics in a geometrically simplified model setup of subduction/collision (Chapter 4). The model results exhibit a wide range of behaviors depending on the rheological law employed: from linear viscous to temperature-dependent visco-elasto-plastic rheology that takes into account both diffusion and dislocation creep. These two studies demonstrate that the choice of rheology or numerical techniques can radically alter slab dynamics and topography evolution. A combined effort of improving numerical methods and understanding dynamics of complex systems will be needed for future studies. Finally, in Chapter 5, I present a new type of 3-D forward models to investigate how the India-Eurasia convergence in the last 120 Ma has been accommodated by subduction in the Neo-Tethys, and how the shape of Greater India affects collision dynamics. The results show the spontaneous formation and merging of a double subduction system, which resulted in a stable intra-oceanic subduction with a trench-trench-trench triple junction. The collision dynamics is controlled by upper plate parameters and the size and shape of the Greater India extension, which in turn controls the timing of collision and deformation pattern. Overall, this work demonstrates the importance of coupling lithosphere and mantle dynamics for the study of convergent margins, and represents fundamental progress on understanding the formation of mountain belts. Die Kollisionszone Indien-Asien stellt eines der beeindruckendsten Phänomene in der Plattentektonik und Lithosphärendeformation dar. So überrascht es kaum, dass die ungewöhnlich mächtige und hoch liegende Region Himalaya-Tibet im Zentrum vieler tektonischer und numerischer Modelle stand. Einige dieser Modelle erklären grundlegende physikalische Prozesse kontinentaler Kollisionen. Jedoch kann bisher keines gleichzeitige aktive Prozesse wie Subduktion, Unterschiebung, Delaminierung, Channel Flow oder Extrusion einbeziehen. Da diese Mechanismen die Interaktion der Lithosphäre mit dem darunter liegenden Mantel beschreiben, wird angenommen, dass ihnen während kontinentaler Konvergenz Bedeutung zukommt. Um die Prozesse in ihrer Komplexität vollständig zu erfassen, sind somit 3D-Modelle integrierter Lithosphären- und Manteldynamik erforderlich. In dieser Arbeit führe ich systematische numerische Simulationen mit Hilfe der Software LaMEM in 3D durch und kombiniere die numerischen Ergebnisse mit Erkenntnissen aus semi-analytischen Modellen und Skalenanalysen, um einige fundamentale Aspekte zur Kontinent-Kollision und Gebirgsbildungsdynamik im Kontext der Indien-Asien-Kollision herauszuarbeiten. Mittels der numerischen Modelle untersuche ich (i) den Einfluss von Subduktion und Kollision auf gebirgsbildende Prozesse und die mögliche Mächtigkeit topographischer Plateaus in Modellen, die die räumliche Skala der Lithosphäre und des oberen Mantels umfassen, (ii) verschiedene numerischer und theoretische Techniken zum Studium von Lithosphärendeformation an konvergenten Plattengrenzen, sowie (iii) die Auswirkungen der Form und Driftbewegung des indischen Subkontinents auf die folgende tektonische Entwicklung von Zentral- und Südostasien. Weil gegensätzlich wirkende Prozesse die Entwicklung der Topographie beeinflussen, war es in früheren 3D-Kollisionsmodellen eine besondere Herausforderung, Topographie mit so überaus hoher Ausprägung zu erreichen. Einerseits begünstigt die kontinentale Kollision die sich aufbauende Topographie durch Materialstauchung, andererseits führt sie zum "slab break off" und lateraler Materialextrusion, die eine Topographieabsenkung zur Folge hat. In einem ersten Abschnitt dieser Arbeit (Kapitel 3) weisen Ergebnisse von 3D-Modellen darauf hin, dass "slab pull" allein keine ausreichend hohe Topographie herbeiführt. Somit sind zusätzliche Kräfte und feste, heterogene Blöcke, wie das Tarim Becken, notwendig zur Ausbildung anormal hoher topographischer Fronten und Plateaus. Des Weiteren sind verschiedene Arten von Oberflächenerscheinungen beschrieben, die zu unserem Verständnis der Entstehung von Erhaltung von Gebirgsgürteln beitragen. In einem zweiten Teil (Kapitel 2) diskutiere ich ein typisches numerisches Problem der "marker-in-cell" Methode für "staggered grids", die erhaltende Advektion von Markern, und teste den Einfluss rheologischer Näherungen auf Mantel- und Lithosphärendynamik in einem geometrisch vereinfachten Modellaufbau zur Subduktion/Kollision (Kapitel 4). Die Ergebnisse veranschaulichen eine große Bandbreite verschiedenen Verhaltens in Abhängigkeit von angewandten rheologischen Gesetzmäßigkeiten, von linear-viskos bis hin zu temperaturabhängiger visko-elasto-plastischer Rheologie, die sowohl Diffusions- als auch Versetzungskriechen einschließt. Diese beiden Studien zeigen, dass die Wahl von Rheologie und numerischem Verfahren die Plattendynamik und Topographieentwicklung in Modellen drastisch verändern kann. Zuletzt präsentiere ich in Kapitel 5 einen neuen Typ von 3D-Vorwärtsmodellen zur Untersuchung, in welchem Maße die Indien-Eurasien-Konvergenz der letzten 120 Ma mit Subduktion in der Neo-Tethys wechselwirkte, und wie die Form von Indien die Kollisionsdynamik beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen die spontane Bildung und Verschmelzung von doppelten Subduktionssystemen, welche eine stabile Intra-Ozean-Subduktion mit einer Graben-Graben-Graben Dreifach-Schnittstelle zur Folge hat. Die Kollisionsdynamik wird durch die Parameter der oberen Lithosphärenplatte sowie die Größe und Form Indiens kontrolliert, was wiederum den Zeitpunkt der Kollision und das Deformationsmuster steuert. Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit die Notwendigkeit der Kombination von Lithosphären- und Manteldynamik zur Untersuchung konvergenter Plattengrenzen und treibt unser Verständnis der Bildung von Gebirgsgürteln grundlegend voran.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4073
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005515
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xxi, 173 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen