Thermomechanical modeling of mantle dynamics and plate motion in the Mediterranean

Abstract

Over millions of years, the Mediterranean has been shaped by various geological pro cesses. The region comprises several rollback subduction systems, some still actively retreating, and is influenced by the convergence of the African plate in the south and the Eurasian plate in the north. The dynamic behaviour is also reflected in the crust, as the region is characterized by numerous orogens as well as a complex plate motion pattern. The Adriatic microplate is located in the center of the Mediterranean and is bounded by the African plate and the Eurasian plate. This configuration makes the Mediterranean, and in particular the Adriatic microplate, an ideal setting to investi gate the interplay between mantle dynamics and plate motion. In this work, 3D thermomechanical modeling of the Mediterranean region is used to investigate the complex geological history of this region over the last 35 Myr. The results show that the subduction zones strongly interact with each other. The retreat of both the Apennines-Calabrian subduction system to the west of Adria and the Dinaric-Hellenic subduction system to the east of Adria leads to an increased dynamic pressure under the Adriatic microplate. This results in mantle flow to the north and south. In the north, the mantle flow is blocked by the Alpine slab, so that mantle flow parallel to the Alpine trench emerges starting at 20 Ma. Another aspect of the study is the plate motion of the Adriatic microplate. The results indicate that this is primarily controlled by the convergence of the African and Eurasian plates, the horizontal distance between the Calabrian and Hellenic trenches and the Alpine slab retreat to the north of Adria. The simulation results are used to calculate synthetic shear-wave splitting param eters to quantify seismic anisotropy. The comparison with observations reproduces f irst-order features, such as the trench-parallel orientation of the fast polarization di rection south of the Alpine slab. However, the comparison between the model and observations is not perfect, as some regions, such as the Liguro-Provençal Basin, ex hibit differences. These differences may stem from features absent in the model, such as a slab gap of the Apennines slab or lower mantle structures. Overall, the compar ison demonstrates the value of shear wave splitting observations as an observational constraint and shows how the model results can help interpret observations. Thermomechanical simulations typically involve a large number of material param eters, and it is often difficult to quantify the individual influence of each parameter on a specific output of interest, such as the velocity of a subduction plate. With the dis crete adjoint method, it is possible to calculate sensitivities that show the influence of material parameters on a specific output of interest. Here, we illustrate the implemen tation of the discrete adjoint method with automatic differentiation. This approach has the advantage that it allows functions from the Stokes solver to be reused, en abling the design of a problem-agnostic adjoint solver. The resulting sensitivities are scaled to allow a comparison between different parameters. Finally, this method is applied to a 2D subduction zone with a nonlinear visco-elastic rheology, where the effects of slab pull and ridge push on the plate motion are compared quantitatively.

Über Millionen von Jahren hinweg wurde der Mittelmeerraum von verschiedenen geo logischen Prozessen geformt. Die Region umfasst mehrere zurückweichende Subduk tionszonen, von welchen heute noch einige aktiv sind. Außerdem steht die Region im Einfluss der Konvergenz der Afrikanischen Platte im Süden und der Eurasischen Platte im Norden. Das dynamische Verhalten zeigt sich auch in der Erdkruste, da die Region von mehreren Gebirgen und einer komplexen Plattenbewegung gekennzeichnet ist. Die Adriatische Platte befindet sich im Zentrum des Mittelmeerraums und ist von der Afrikanischen und Eurasischen Platte begrenzt. Diese Zusammenstellung macht den Mittelmeerraum und im Speziellen die Adriatische Platte zu einem idealen Ort, um das Zusammenspiel aus Manteldynamik und Plattenbewegung zu untersuchen. In dieser Arbeit wird thermomechanische 3D-Modellierung verwendet, um die komplexe geologische Geschichte der Region über die letzten 35 Millionen Jahre besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Subduktionszonen gegenseitig stark beeinflussen. Das Zurückweichen des apenninisch-kalabrischen Subduktionssystems westlich der Adriatischen Mikroplatte und des dinarisch-hellenischen Subduktions systems östlich von Adria führt zu einem erhöhten dynamischen Druck im Erdmantel unter der Adriatischen Platte. Dies resultiert in Mantelfluss nach Norden und nach Süden. Im Norden wird der Mantelfluss durch die alpine Subduktionszone blockiert, sodass sich seit 20 Millionen Jahren ein Mantelfluss parallel zur alpinen Subduktions zone entwickelt hat. Ein anderer Aspekt der Studie befasst sich mit der Plattenbe wegung der Adriatischen Platte. Die Ergebnisse zeigen, dass diese vor allem von der Konvergenz der Eurasischen mit der Afrikanischen Platte, der horizontalen Distanz der kalabrischen und der hellenischen Subduktionszone sowie dem Zurückweichen der alpinen Subduktionszone abhängt. Mit den Simulationsergebnissen werden synthetische Parameter für die seismische Doppenelbrechung berechnet, um die seismische Anisotropie zu charakterisieren. Der Vergleich mit Beobachtungen reproduziert Merkmale erster Ordnung, wie die paral lele Orientierung der schnellen Polarisationsrichtung zur alpinen Subduktionszone im Süden der Alpen. Der Vergleich zwischen Modellergebnissen und seismischen Beob achtungen zeigt jedoch auch Unstimmigkeiten, wie zum Beispiel im Liguro-Provençal Becken. Diese Unterschiede können auf Merkmale zurückzuführen sein, die im Modell nicht auftreten, wie zum Beispiel eine Lücke in der apenninischen Subduktionsplat te, oder auf Strukturen im unteren Mantel. Insgesamt zeigt der Vergleich, dass die Analyse der seismischen Doppelbrechung eine zusätzliche Möglichkeit zur Verifizie rung des numerischen Modells bietet und dass die Modellergebnisse helfen können, die Beobachtungen besser zu interpretieren. Thermomechanische Simulationen beinhalten typischerweise eine Vielzahl an Mo dellparametern und es ist oft schwierig, den individuellen Einfluss einzelner Parameter auf ein bestimmtes Resultat, wie z. B. die Geschwindigkeit einer Subduktionsplatte, zu quantifizieren. Mit der diskreten Adjungierten Methode ist es möglich, Sensitivitäten zu berechnen, die den Einfluss von Materialparametern auf ein bestimmtes Ergebnis zeigen. In diesem Zusammenhang ist die Implementierung der diskreten Adjungierten Methode mithilfe automatischer Differentiation beschrieben. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass Funktionen aus dem Stokes-Löser wiederverwendet werden können, was die Entwicklung von einem problemunabhängigen Adjungierten-Löser ermöglicht. Die resultierenden Sensitivitäten werden skaliert, um einen Vergleich verschiedener Para meter zu ermöglichen. Schließlich wird diese Methode auf eine 2D-Subduktionszone mit einer nichtlinearen, visko-elastischen Rheologie angewendet. Dabei werden ver schiedene Prozesse, die die Plattenbewegung beeinflussen, quantitativ miteinander verglichen.