Numerical Modelling of Mid-Crustal Flow Applied to Svecofennian Orogeny
| Title: | Numerical Modelling of Mid-Crustal Flow Applied to Svecofennian Orogeny |
| Author(s): | Lammi, Hannu |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography |
| Discipline: | Geology |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2015 |
| Abstract: |
This work explores the lateral spreading of hot, thick, Paleoproterozoic crust via a series of 2D thermomechanical numerical models based on two geometrical a priori models of the thickened crust: plateau and plateau margin. High Paleoproterozoic radiogenic heat production is assumed. The material viscosity is temperature-dependent following the Arrhenius law. The experiments use two sets of rheological parameters for the crust: dry (granite/felsic granulite/mafic granulite) and wet (granite/diorite/mafic granulite). The results of the modeling are compared to seismic reflection sections and surface geological observations from the Paleoproterozoic Svecofennian orogen.
Numerical modelling is performed with Ellipsis, a particle-in-cell finite element code suitable for 2D thermo-mechanical modelling of lithospheric deformation. It uses Lagrangian particles for tracking material interfaces and histories, which allow recording of material P-T-t paths.
Plateau-models are based on a 480 km long section of 65 km-thick three-layer plateau crust. In the plateau margin-models, a transition from 65 km thick plateau to 40 km thick foreland is imposed in the middle of the model. The models are extended symmetrically from both ends with slow (1.9 mm/a) and fast (19 mm/a) velocities. Gravitational collapse is simulated with an additional set of fixed boundary plateau margin models. The models are studying the effect of free moving boundaries on the crustal structure and the conditions for mid-crustal flow.
Strong mid-crustal channel flow is seen in plateau margin models with dry rheology and slow extension or with fixed boundaries. With fast extension or wet rheology channel flow grows weaker/diminishes. In models with slow extension or fixed boundaries, partial melting controls the style of deformation in the middle crust. Vertical movement of the partially molten material destroys lateral flow structures in plateau regions.
According to P-T-t paths, the model materials do not experience high enough temperatures to match HT-LP metamorphic conditions typical for Svecofennian orogenic rocks. Metamorphic conditions in the dry rheology models have counterparts in the LT-LP (>650 °C at ≤600 MPa) amphibolite facies rocks of the Pielavesi area. Plateau margin models with dry rheology and slow extension or fixed boundaries developed mid-crustal channel flow, thinning of middle crust, exhumation of mid-crustal domes and smooth Moho, all of which are found in crustal scale reflection sections.
Results of this work suggest plateau margin architecture prior to extension that took place at slow velocities or through purely gravitational collapse, although peak temperature of Svecofennian HT-LP metamorphism was not attained.
Tässä työssä tutkitaan myöhäisproterotsooisen paksun ja kuuman kuoren leviämistä kymmenen numeerisen mallin sarjalla. Mallit perustuvat paksuuntuneen kuoren kahteen perusgeometriaan: ylänkö ja ylängön reuna (ylänkö-etumaa). Suureen radiogeeniseen lämmöntuottoon käytetään myöhäisproterotsooiselle tasolle korjattuja arvoja. Materiaalien viskositeetti riippuu lämpötilasta Arrheniuksen lain mukaan. Kuoren rheologiaa mallinnetaan sekä vedettömillä (graniitti/felsinen granuliitti/mafinen granuliitti) että vesipitoisilla (graniitti/dioriitti/mafinen granuliitti) materiaaleilla. Mallinnustuloksia verrataan Svekofennisesta orogeniasta tehtyihin seismisiin ja geologisiin havaintoihin.
Numeerinen mallinnus suoritetaan Ellipsis-ohjelmistolla, joka kykenee litosfäärin deformaation termomekaaniseen mallinnukseen kaksiulotteisesti. Se käyttää elementtimenetelmää ja tallettaa materiaalien historiaa Lagrange-tyyppisillä partikkeleilla joilla voidaan tallentaa myös PTt-polkuja.
Ylänkö-mallit pohjautuvat 65 km paksun kolmikerroksisen kuoren 480 km pitkään pystyleikkaukseen. Ylängön reuna -mallien keskellä on siirtymä 65 km paksulta ylängöltä 40 km paksulle etumaalle. Malleja levitetään symmetrisesti molemmista päädyistä sekä hitaasti (1.9 mm/a) että nopeasti (19 mm/a). Lisäksi ylängön reuna -malleilla mallinnetaan puhtaasti gravitatiivinen orogenian romahdus liikkumattomilla päädyillä. Malleilla tutkitaan vapaasti liikkuvien päätyjen vaikutusta kuoren rakenteisiin ja keskikuoren virtauksen edellytyksiä.
Ylängön reuna -malleissa syntyy voimakas keskikuoren virtauskanava silloin kun kuoren reologia on vedetön ja leviämisnopeus on hidas tai malli ei leviä lainkaan. Nopea leviämisnopeus tai vesipitoinen reologia heikentävät virtausta. Kiinteiden päätyjen ja hitaan leviämisnopeuden malleissa sulaminen ohjaa keskikuoren deformaatiota. Sulien pystysuuntaiset liikkeet hävittävät lateraalin virtauksen luomat rakenteet ylängön alueella.
Mallien PTt-polut eivät saavuta Svekofenniselle orogenialle tyypillisiä korkean lämpötilan ja alhaisen paineen olosuhteita. Pielaveden alueen alhaisen lämpötilan ja alhaisen paineen amfiboliittifasieksen kiville löytyy vastineita vedettömän reologian malleista. Ylängön reuna -malleissa vedetön reologia ja hidas leviämisnopeus tai liikkumattomat päädyt johtavat keskikuoren virtauskanavan muodostumisen, keskikuoren ohentumiseen, keskikuoren doomien paljastumiseen ja tasaisen Moho-rajapinnan muodostumiseen. Samat piirteet löytyvät kuoren seismisistä sektioista.
Mallinnuksen tulokset viittaavat siihen, että Svekofennisen orogenian leviämisvaiheessa olisi tapahtunut ylängön reuna-alueen leviäminen hitaalla nopeudella tai liikkumattomien reunojen rajoittamana. Malleissa ei tosin saavutettu Svekofenniselle orogenialle tyypillisiä korkean lämpötilan ja alhaisen paineen metamorfoosin huippulämpötiloja.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Lammi 2015 - Nu ... o Svecofennian Orogeny.pdf | 13.92Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4203]