Authors:	Berlie, Nicolas
Advisor:	Kaus, Boris J. P.
Title:	Numerical modeling of magma ascent through the lithosphere
Online publication date:	7-Dec-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Magmatic systems and volcanoes are found throughout the entire world, yet the processes responsible for the ascent of magmatic melt, as well as the structure of these systems, are still poorly constrained due to a lack of direct observations. All hypotheses in this field are derived from indirect observations (geophysical surveys, fieldwork and petrological studies on fossil exhumed systems or at the surface of currently active volcanic systems) and robust physical and geochemical models need to be developed to validate, quantify or refine these ideas. We address these challenges in this thesis in two parts. First, we study the melt depletion of a magmatic reservoir connected to the surface by a weak conduit. Using a 2D model, we simplify the rheology and structure of the system to a few parameters and determine how sensitive the velocities within the conduit are to variations in these parameters. Several modes of transport are identified and translated into analytical scaling laws. We then apply these scaling laws to the 2021 eruption of the Cumbre Vieja volcano to constrain the structure of the magmatic system located beneath La Palma in the Canary Islands. Second, we develop tools to model magmatic systems in more detail and in a self-consistent manner across the lithosphere. One of these tools is an extension of the numerical continuum approach commonly used in geodynamics to model both shear and tensile plastic failure. This enables us to include dykes, the main form of melt transport in the elasto-plastic upper crust, in our models. The constitutive equations presented include compressible visco-elasto-plasticity with viscoplastic regularization and non-linear rheologies. A new yield function, adapted to work reliably in tensile conditions without introducing unphysical stress states into the model, is also presented. Another tool described in this thesis is MAGEMin, a Gibbs energy minimizer applied to igneous systems. MAGEMin is an efficient and highly scalable minimization package that opens up new possibilities for petrological applications as well as for use in conjunction with thermomechanical models. It uses a combination of linear programming, extended Partitioning Gibbs Energy and gradient-based minimization. The implementation of the thermodynamic dataset (Holland et al., 2018) was benchmarked against THERMOCALC. Magmatische Systeme und Vulkane sind auf der ganzen Welt zu finden, doch die Prozesse, die für den Aufstieg magmatischer Schmelze verantwortlich sind, sowie die Struktur dieser Systeme sind aufgrund mangelnder direkter Beobachtungen noch immer nur unzureichend geklärt. Alle Hypothesen in diesem Bereich werden aus indirekten Beobachtungen abgeleitet (geophysikalische Untersuchungen, Feldarbeit und petrologische Studien an fossilen exhumierten Systemen oder an der Oberfläche derzeit aktiver Vulkansysteme), und es müssen robuste physikalische und geochemische Modelle entwickelt werden, um diese Ideen zu validieren, zu quantifizieren oder zu verfeinern. Wir gehen diese Herausforderungen in dieser Arbeit in zwei Teilen an. Zunächst untersuchen wir die Schmelzeentleerung eines magmatischen Reservoirs, das durch einen schwachen Schlot mit der Oberfläche verbunden ist. Mithilfe eines 2D-Modells vereinfachen wir die Rheologie und die Struktur des Systems auf einige wenige Parameter und bestimmen, wie empfindlich die Geschwindigkeiten innerhalb des Kanals auf Variationen dieser Parameter reagieren. Es werden mehrere Transportmodi identifiziert und in analytische Skalierungsgesetze übersetzt. Anschließend wenden wir diese Skalierungsgesetze auf den Ausbruch des Vulkans Cumbre Vieja im Jahr 2021 an, um die Struktur des magmatischen Systems unter La Palma auf den Kanarischen Inseln einzugrenzen. Zweitens entwickeln wir Instrumente, um magmatische Systeme in der gesamten Lithosphäre detaillierter und in sich konsistenter Weise zu modellieren. Eines dieser Werkzeuge ist eine Erweiterung des in der Geodynamik üblichen numerischen Kontinuum-Ansatzes zur Modellierung von plastischem Scher- und Zugversagen. Dies ermöglicht es uns, Dykes, die Hauptform des Schmelztransports in der elasto-plastischen oberen Kruste, in unsere Modelle einzubeziehen. Die vorgestellten konstitutiven Gleichungen beinhalten kompressible Visko-Elasto-Plastizität mit viskoplastischer Regularisierung und nichtlinearen Rheologien. Außerdem wird eine neue “yield function" vorgestellt, die so angepasst ist, dass sie unter Zugbedingungen zuverlässig funktioniert, ohne unphysikalische Spannungszustände in das Modell einzubauen. Ein weiteres in dieser Arbeit beschriebenes Werkzeug ist MAGEMin, ein Gibbs-Energie-Minimierer, der auf magmatische Systeme angewendet wird. MAGEMin ist ein effizientes und hoch skalierbares Minimierungspaket, das neue Möglichkeiten für petrologische Anwendungen sowie für den Einsatz in Verbindung mit thermomechanischen Modellen eröffnet. Es verwendet eine Kombination aus linearer Programmierung, erweiterter Partitioning Gibbs Energy und gradientenbasierter Minimierung. Die Implementierung des thermodynamischen Datensatzes (Holland u. a., 2018) wurde mit THERMOCALC verglichen und getestet.
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-9671
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-6362b67a-d534-4f8c-9a91-b3f422b12d059
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-SA
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
Extent:	xv, 117 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen