Effects of initial plate conditions on subduction process: numerical and laboratory experiments

• Author(s): Duarte, Sílvia Salvador
• Date: 2014
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/15524
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Tectonofísica; Subducção; Velocidade de afundamento; Dinâmica de placas
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Mériaux, Catherine; May, Dave A.
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado em Ciências Geofísicas, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014

Com este trabalho pretende-se estudar o processo de subducção de uma placa tectónica com recurso a modelos laboratoriais e numéricos, utilizando uma abordagem tridimensional. Os modelos foram escalados de modo a poderem ser considerados dinamicamente semelhantes um modelo de um limite de convergência de placas tectónicas na Natureza. As diferentes experiências executadas são simulações do afundamento de uma placa litosférica densa e com viscosidade elevada, que inicialmente se encontra em repouso sobre o manto, de densidade e viscosidade inferiores, com uma das suas extremidades dobrada para o interior do manto. O sistema parte do repouso, i.e., não existe forçamento devido forças inerciais, pelo que o processo é completamente impulsionado pelo contraste de densidades entre a placa e o manto. É utilizado, nos dois tipos de modelo, um manto análogo completo sem descontinuidades, i.e., considera-se um manto completamente uniforme em todo o seu interior e limitado no fundo pela fronteira com o núcleo terrestre. O processo que inicia a subducção não é modelado, pois o objectivo deste trabalho prende-se com a evolução do processo e não com o modo como este é iniciado. Também não são tidas em conta quaisquer variações de fase e temperatura do material, assume-se que o fluído que representa o manto é incompressível e que é caracterizado por um número de Prandtl infinito, pelo que o momento é difundido mais rapidamente que o calor. Para simplificação do sistema assume-se, ainda, que não existe uma segunda placa para debaixo da qual a primeira é subduzida, este pressuposto implica que a resistência nos limites da placa é baixa. Neste estudo simula-se uma superfície livre no topo do manto, tanto nos modelos laboratoriais como nos numéricos, ou seja, a formação de topografia não é constrangida (nos modelos numéricos encontrados na literatura é frequentemente utilizada uma camada fina lubrificante por cima da placa, pelo que a fronteira entre o topo e a atmosfera é rígida). As experiências laboratoriais são caracterizadas por um contraste de densidades de __ = _p _m = 99 kg_m-3, entre placa e manto, e uma razão entre viscosidades de = _p=_m = 640 (os ìndices ‘p’ e ‘m’ denotam placa e manto), nestas experiências a placa encontra-se fixada na extremidade oposta àquela que afunda. Este cenário é comparável a sistemas de subducção naturais nos quais se verifica que a fossa, zona onde a placa que está a ser subduzida começa a penetrar o manto, tem uma velocidade de recuo significativamente mais elevada que a velocidade da parte placa que é arrastada à superfície e que se move em direcção à fossa. As simulações numéricas são caracterizadas por um contraste de densidades e uma razão entre viscosidades ligeiramente inferiores, 80 kg_m-3 e 253.3, respectivamente. Nestas experiências a placa é definida com a extremidade livre, permitindo a movimentação da parte da placa que se encontra à superfície no sentido da fossa. Este cenário é representativo de sistemas naturais nos quais existe uma zona de divergência na extremidade da placa, como, por exemplo, uma crista média oceânica. As simulações numéricas têm como referência as experiências laboratoriais de Schellart [2008], especialmente a experiência 8, que se trata também de um modelo de manto completo. O código responsável pelas simulações numéricas foi construído de modo a se aproximar o melhor possível desta experiência com o objectivo de se obter resultados semelhantes entre trabalho laboratorial e numérico numa abordagem 3-D e utilizando modelos com uma superfície livre no topo, o que é inovador, pois até agora a correspondência entre resultados laboratoriais e numéricos utilizando modelos de superfície livre foi apenas feita com sucesso por Schmeling et al. [2008] numa abordagem bidimensional, na qual muitos efeitos do processo de subducção são suprimidos. O estudo centra-se na velocidade de afundamento da ponta da placa, sendo o principal objectivo deste trabalho verificar se existe uma relação entre esta e as condições iniciais definidas para o comprimento (l0) e ângulo (_0) iniciais de mergulho da extremidade da placa, portanto, diferentes valores para as duas variáveis são testados, mantendo os restantes parâmetros que caracterizam os modelos constantes. É identificada uma fase no processo de subducção na qual a ponta da placa afunda de modo estacionário até alcançar o fundo do manto, e analisada detalhadamente, sendo que é para esta fase que a velocidade de afundamento é estimada, pois é quando pode ser considerada praticamente constante. Os resultados laboratoriais mostram que as condições iniciais não têm um impacto significativo na velocidade de afundamento. É possível ainda verificar que o bordo lateral da ponta da placa afunda a uma velocidade inferior à velocidade estimada para o centro da ponta da placa, o que é justificado pelo facto de os bordos laterais serem mais afectados por efeitos de arraste por parte do manto e se manifesta pela forma curva que a fossa assume durante o processo. Por outro lado, os resultados numéricos mostram que a velocidade de afundamento aumenta para valores do comprimento inicial da extremidade mais elevados, mas diminui para valores do ângulo de mergulho inicial superiores. Além disso, estes resultados mostram que o impacto na velocidade de afundamento da placa devido a variações no ângulo inicial são muito menores que o impacto devido a variações no comprimento inicial da extremidade mergulhante. Estes contrastes entre resultados permitem concluir que mantendo a placa fixa numa das extremidades não há influência das condições iniciais mas no caso de a placa ter a extremidade livre as condições inicias influenciam bastante o modo como a subducção evolui, nomeadamente, a velocidade com que a ponta da placa afunda durante a fase estacionária do processo. Em todas as experiências verifica-se que a fossa não é estática durante o processo, tem um movimento de recuo. Este movimento também apresenta uma fase estacionária, que ocorre simultaneamente à identificada para o afundamento da ponta da placa, sendo por isso igualmente possível estimar velocidades de recuo para cada experiência. Verifica-se que o recuo é mais intenso nas experiências laboratoriais, ou seja no caso de uma placa fixa na extremidade. As experiências numéricas revelam que o recuo da fossa também é influenciado pelas condições iniciais, o aumento do comprimento inicial da ponta da placa implica menores velocidade de recuo, assim como a diminuição do ângulo de mergulho inicial. Relativamente à evolução das posições do material do manto enquanto a placa afunda, nas experiências numéricas, é possível verificar que se forma uma corrente de retorno no manto com um padrão toroidal em torno dos bordos laterais da ponta placa, com transporte de massa entre a zona por baixo da placa para a cunha de manto em torno dos bordos da placa. Verifica-se ainda um sistema poloidal de retorno constituído por duas células em torno da ponta da placa, no qual uma célula localiza-se por baixo da placa e a outra na cunha de manto, mas sem transporte de massa entre as células. Finalmente, a comparação entre os resultados numéricos e a experiência de Schellart [2008] demonstra que o uso de modelos laboratoriais como referência para construção de modelos numéricos, utilizando a abordagem tridimensional, de superfície livre e com o bordo da placa livre para se mover, não é adequado. Pelo menos para o caso em que se considera uma placa com a extremidade livre. O próximo passo a seguir será executar simulações numéricas para o caso em que a placa tem a extremidade fixa de modo a comparar com os resultados laboratoriais aqui obtidos.

Subduction process is investigated with laboratory and numerical experiments in a three-dimensional approach. The experiments model the sinking of a dense plate initially resting on top of a less dense deep mantle, with a tip bent downwards, and the process is entirely driven by the negative buoyancy due to density contrast. Subduction initiation is not modelled and a no overriding plate system is assumed. Both laboratory and numerical models assume a free surface at the top. Laboratory experiments are set with a trailing plate fixed at one edge and numerical experiments are set with a free trailing edge and benchmarked with the laboratory work of Schellart [2008], in particular with the experiment 8. The sinking velocity of the slab tip is investigated, the main goal is to test its dependency on the initial conditions: initial slab tip length (l0) and initial dipping angle (_0). A steady state stage is identified before the slab tip reaches the bottom and sinking velocities are estimated for this particular stage for all experiments. Laboratory results show that the initial conditions do not impact significantly the sinking velocity for a free trailing plate. By contrast, the numerical results show that there is a relation between the initial slab tip length and the sinking velocity, moreover, that the impact of the initial slab tip dipping angle is much less important. All experiments show trench retreat and the numerical simulations exhibit a toroidal mantle flow pattern around the slab lateral borders and a two-cell poloidal pattern without mass transport around the slab tip. There is also a significant difference on the plate kinematics and dynamics as it sinks between the fixed and free trailing edge approaches. Finally, the comparison of the numerical results with the Schellart [2008] experiment demonstrates that a benchmark between three-dimensional, free surface laboratory and numerical models, with a free trailing edge, is not accomplished.