Relationships between plate tectonics and mantle convection are under relentless investigation in the field of geodynamics and plate tectonics. This dissertation contributes to the understanding of this interplay, integrating numerical models in different geometries with both geophysical and kinematic data. These data would suggest an asymmetric character of plate tectonics, along both extensional and convergent margins. A global “westward” displacement of the lithosphere with respect to the underlying mantle could be responsible for that, causing asymmetries in lithosphere-mantle interactions. Starting from numerical models in a rectangular box, interactions between subducting oceanic plates and a horizontal mantle flow have been simulated. Results showed that subduction dynamics is strongly affected by the horizontal flow, reproducing some of the main features of present-day subduction zones such as slab dip, state of stress within the upper plate and motion of the subduction hinge. Lithosphere re-entering into the mantle through subduction is one of the main aspects when analyzing the interplay between mantle motion and plate tectonics and it is highly affected by the displacement of the subduction hinge. In the fixed upper plate framework, the hinge moving towards the upper plate contributes to decrease the subduction rate and vice-versa. Thus, a worldwide kinematic analysis was performed, eventually calculating the subduction rate and volumes of subducted lithosphere for each subduction zone. Results showed both faster subduction rates and higher volumes of subducted lithosphere along most of the “westward”-directed subduction zones with respect to the opposite ones. The subduction rate could be considered as a key-parameter for subduction zones dynamics, enclosing both the plate convergence velocity and the motion of the subduction hinge. Therefore, the numerical simulations have been improved to include this velocity as boundary condition, using subduction rate estimations obtained from the kinematic analysis. The numerical models reproduced subduction zones asymmetries, supporting the kinematic analysis. Finally plate reconstructions have been computed to verify subduction dynamics in a spherical domain using both mantle- and relative-reference frameworks, e.g., 1) deep hotspots; 2) shallow hotspots; 3) upper plate fixed. Results provide reference material for future research works.

Le interazioni tra la tettonica delle placche e la convezione del mantello sono continuamente oggetto di investigazione nel campo della geodinamica e tettonica delle placche. Questa tesi di dottorato contribuisce ad ampliare le conoscenze su queste interazioni, integrando la modellazione numerica effettuata in differenti geometrie con dati geofisici e cinematici. Questi dati suggeriscono un forte carattere asimmetrico della tettonica delle placche, sia lungo i margini convergenti che estensionali. Un moto globale verso “ovest” della litosfera potrebbe esserne il principale responsabile, causando interazioni asimmetriche tra la litosfera ed il mantello sottostante. A partire da modelli numerici in geometria piana, è stata simulata l’interazione tra una placca oceanica in subduzione e un flusso orizzontale del mantello. I risultati hanno mostrato come la dinamica di subduzione sia fortemente influenzata da questo flusso orizzontale, riproducendo alcune delle principali caratteristiche di subduzioni attuali, come ad esempio la pendenza dello slab, lo stato di stress della placca a tetto ed il movimento della cerniera della subduzione. La litosfera che rientra nel mantello attraverso la subduzione è uno degli aspetti principali quando si analizzano le interazioni tra la tettonica delle placche ed i movimenti del mantello ed è strettamente legato al tipo di movimento della cerniera dello slab in subduzione. In un sistema di riferimento in cui la placca a tetto è fissa, una cerniera che si muove verso di essa contribuisce a diminuire il tasso di subduzione e viceversa. È stata effettuata quindi una analisi cinematica globale, calcolando i tassi di subduzione ed il volume di litosfera attualmente in subduzione per ogni subduzione. I risultati hanno mostrato tassi di subduzione e volumi di litosfera subdotti maggiori in corrispondenza della maggior parte delle subduzioni con polarità geografica dello slab verso “ovest” rispetto alle subduzioni con polarità opposta. Il tasso di subduzione è un parametro-chiave per la caratterizzazione della dinamica delle subduzioni poiché racchiude la velocità di convergenza della placca in subduzione ed il comportamento della cerniera. Perciò i modelli numerici sono stati migliorati per includere questa velocità come condizione al contorno, usando i tassi di subduzione ottenuti tramite l’analisi cinematica. L’asimmetria delle subduzioni è stata riprodotta dai modelli numerici, supportando l’analisi cinematica. Per verificare infine la dinamica di subduzione in geometria sferica, il moto delle placche è stato simulato in sistemi di riferimento assoluti e relativi: 1) hotspot profondi, 2) hotspot superficiali, 3) placca a tetto fissa. I risultati forniscono materiale di riferimento per futuri lavori di ricerca.

Numerical modeling of subduction zones and implications for mantle convection / Ficini, Eleonora. - (2019 Feb 15).

Numerical modeling of subduction zones and implications for mantle convection

FICINI, ELEONORA
15/02/2019

Abstract

Relationships between plate tectonics and mantle convection are under relentless investigation in the field of geodynamics and plate tectonics. This dissertation contributes to the understanding of this interplay, integrating numerical models in different geometries with both geophysical and kinematic data. These data would suggest an asymmetric character of plate tectonics, along both extensional and convergent margins. A global “westward” displacement of the lithosphere with respect to the underlying mantle could be responsible for that, causing asymmetries in lithosphere-mantle interactions. Starting from numerical models in a rectangular box, interactions between subducting oceanic plates and a horizontal mantle flow have been simulated. Results showed that subduction dynamics is strongly affected by the horizontal flow, reproducing some of the main features of present-day subduction zones such as slab dip, state of stress within the upper plate and motion of the subduction hinge. Lithosphere re-entering into the mantle through subduction is one of the main aspects when analyzing the interplay between mantle motion and plate tectonics and it is highly affected by the displacement of the subduction hinge. In the fixed upper plate framework, the hinge moving towards the upper plate contributes to decrease the subduction rate and vice-versa. Thus, a worldwide kinematic analysis was performed, eventually calculating the subduction rate and volumes of subducted lithosphere for each subduction zone. Results showed both faster subduction rates and higher volumes of subducted lithosphere along most of the “westward”-directed subduction zones with respect to the opposite ones. The subduction rate could be considered as a key-parameter for subduction zones dynamics, enclosing both the plate convergence velocity and the motion of the subduction hinge. Therefore, the numerical simulations have been improved to include this velocity as boundary condition, using subduction rate estimations obtained from the kinematic analysis. The numerical models reproduced subduction zones asymmetries, supporting the kinematic analysis. Finally plate reconstructions have been computed to verify subduction dynamics in a spherical domain using both mantle- and relative-reference frameworks, e.g., 1) deep hotspots; 2) shallow hotspots; 3) upper plate fixed. Results provide reference material for future research works.
15-feb-2019
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11573/1246478
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