Three-dimensional thermo-mechanical modeling of deformation at plate boundaries [Elektronische Ressource] : case study San Andreas fault system / vorgelegt von Anton A. Popov

Popov, Carmen Anton

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 6
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum
Sektion 2.5: Geodynamische Modellierung




Three-dimensional thermo-mechanical modeling of deformation at plate
boundaries: case study San Andreas Fault System









Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
"doctor rerum naturalium"
(Dr. rer. nat.)
in der Wissenschaftsdisziplin "Geophysik"











eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Universität Potsdam




vorgelegt von
Anton A. Popov





Potsdam, October 2008











































Gutachter:

Prof. Dr. Michael Weber (GeoForschungsZentrum & Universität Potsdam)
Dr. habil. Taras Gerya (ETH Zurich)
Prof. Dr. Romain Bousquet (Universität Potsdam)

Tag der Disputation: 30 April 2009


This work is licensed under a Creative Commons License:
Attribution - Noncommercial - Share Alike 3.0 Germany
To view a copy of this license visit
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/deed.en








































Published online at the
Institutional Repository of the University of Potsdam:
http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2009/3187/
urn:nbn:de:kobv:517-opus-31875
[http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-31875]


Abstract

It has always been enigmatic which processes control the accretion of the North American
terranes towards the Pacific plate and the landward migration of the San Andreas plate boundary.
One of the theories suggests that the Pacific plate first cools and captures the uprising mantle in
the slab window, and then it causes the accretion of the continental crustal blocks. The
alternative theory attributes the accretion to the capture of Farallon plate fragments (microplates)
stalled in the ceased Farallon-North America subduction zone. Quantitative judgement between
these two end-member concepts requires a 3D thermomechanical numerical modeling. However,
the software tool required for such modeling is not available at present in the geodynamic
modeling community.
The major aim of the presented work is comprised basically of two interconnected tasks.
The first task is the development and testing of the research Finite Element code with sufficiently
advanced facilities to perform the three-dimensional geological time scale simulations of
lithospheric deformation. The second task consists in the application of the developed tool to the
Neogene deformations of the crust and the mantle along the San Andreas Fault System in Central
and northern California.
The geological time scale modeling of lithospheric deformation poses numerous
conceptual and implementation challenges for the software tools. Among them is the necessity to
handle the brittle-ductile transition within the single computational domain, adequately represent
the rock rheology in a broad range of temperatures and stresses, and resolve the extreme
deformations of the free surface and internal boundaries. In the framework of this thesis the new
Finite Element code (SLIM3D) has been successfully developed and tested. This code includes a
coupled thermo-mechanical treatment of deformation processes and allows for an elasto-visco-
plastic rheology with diffusion, dislocation and Peierls creep mechanisms and Mohr-Coulomb
plasticity. The code incorporates an Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation with free surface
and Winkler boundary conditions.
i ABSTRACT
The modeling technique developed is used to study the aspects influencing the Neogene
lithospheric deformation in central and northern California. The model setup is focused on the
interaction between three major tectonic elements in the region: the North America plate, the
Pacific plate and the Gorda plate, which join together near the Mendocino Triple Junction.
Among the modeled effects is the influence of asthenosphere upwelling in the opening slab
window on the overlying North American plate. The models also incorporate the captured
microplate remnants in the fossil Farallon subduction zone, simplified subducting Gorda slab,
and prominent crustal heterogeneity such as the Salinian block.
The results show that heating of the mantle roots beneath the older fault zones and the
transpression related to fault stepping, altogether, render cooling in the slab window alone
incapable to explain eastward migration of the plate boundary. From the viewpoint of the
thermomechanical modeling, the results confirm the geological concept, which assumes that a
series of microplate capture events has been the primary reason of the inland migration of the
San Andreas plate boundary over the recent 20 Ma. The remnants of the Farallon slab, stalled in
the fossil subduction zone, create much stronger heterogeneity in the mantle than the cooling of
the uprising asthenosphere, providing the more efficient and direct way for transferring the North
American terranes to Pacific plate.
The models demonstrate that a high effective friction coefficient on major faults fails to
predict the distinct zones of strain localization in the brittle crust. The magnitude of friction
coefficient inferred from the modeling is about 0.075, which is far less than typical values 0.6 –
0.8 obtained by variety of borehole stress measurements and laboratory data. Therefore, the
model results presented in this thesis provide additional independent constrain which supports
the “weak-fault” hypothesis in the long-term ongoing debate over the strength of major faults in
the SAFS.
ii


Zusammenfassung

Seit jeher rätselhaft sind die Prozesse, die die Akkretion der Nordamerikanischen Terranen in
Richtung der Pazifischen Platte sowie die Wanderung der Plattengrenze der San-Andreas-
Verwerfung in Richtung Festland bestimmen. Eine Theorie besagt, dass sich die Pazifische
Platte erst abkühlt und den aufsteigenden Mantel im „Slab Window“ fängt und somit die
Akkretion der kontinentalen Krustenblöcke bewirkt. Die andere Theorie geht von einer
Akkretion durch das Fangen von Teilen der Farallon-Platte (Mikroplatten) aus, die in der
inaktiven nordamerikanischen Farallon-Subduktionszone fest stecken. Die quantitative
Beurteilung dieser beiden gegensätzlichen Konzepte erfordert eine thermomechanische
numerische 3-D-Modellierung. Das dafür benötigte Software Tool steht jedoch der
geodynamischen Modellierung derzeit noch nicht zur Verfügung.
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit umfasst im Wesentlichen zwei miteinander
verbundene Aufgaben. Die erste besteht in der Entwicklung und Erprobung des Finite-Element-
Codes, dessen Eigenschaften den hohen Anforderungen an die Ausführung der
dreidimensionalen Simulationen lithosphärischer Deformation auf geologischer Zeitskala gerecht
werden müssen. Die zweite Aufgabe ist die Anwendung des entwickelten Tools auf die
neogenen Deformationen der Kruste und des Mantels entlang der San-Andreas-Verwerfung in
Zentral- und Nordkalifornien.
Die Modellierung auf geologischer Zeitskala lithosphärischer Deformation bringt für die
Software Tools in Bezug auf Konzept und Durchführung zahlreiche Herausforderungen mit sich.
Unter anderem gilt es, den Brittle-Ductile-Übergang in einem einzigen Modell sowie die
Gesteinsrheologie in einer breiten Spanne unterschiedlicher Temperaturen und Spannungen
adäquat darzustellen und die extremen Deformationen der freien Oberfläche und internen
Grenzen aufzulösen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgte die erfolgreiche Entwicklung
und Erprobung des neuen Finite-Element-Codes (SLIM3D). Dieser Code beinhaltet eine
gekoppelte thermomechanische Behandlung von Deformationsprozessen und ermöglicht eine
elasto-visko-plastische Rheologie mit Diffusion, Dislokation, Peierls Kriechmechanismen und
iii ZUSAMMENFASSUNG
Mohr-Coulomb-Plastizität. Der Code verbindet eine Arbitrary Lagrangian-Eulerian kinematische
Formulierung mit freien Oberflächen- und Winkler-Randbedingungen.
Das entwickelte Modellierungsverfahren wird für die Untersuchung der Aspekte
verwendet, die die neogene lithosphärische Deformation in Zentral- und Nordkalifornien
beeinflussen. Die Modellanordnung konzentriert sich auf die Interaktion zwischen drei großen
tektonischen Elementen in dieser Region: die Nordamerikanische Platte, die Pazifische Platte
sowie die Gorda-Platte, die sich in der Mendocino-Triple-Junction treffen. Unter anderem
verdeutlicht die Modellierung den Einfluss des Aufsteigens der Asthenosphäre in das sich
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