3D dynamics of crustal deformation along the western Andean margin

Subduction zones play an important role in the dynamics of the Earth. At plate margins, where one tectonic plate subsides underneath a second one, mountain ranges are built, earthquakes experienced and volcanic activity observed. The subduction zone of South America, where the Nazca Plate slides underneath the South American Plate, extends for roughly 7000 km along the plate margin. Ongoing since at least the Cretaceous this subduction zone is a laboratory for tectonic systems. This study focuses on how the geometry and relative motion of the two converging plates affects dynamics in the overriding plate utilizing 3D numerical mechanical and thermo-mechanical models. Along the South American subduction zone the obliquity angle, subduction dip angle and strength of the continental crust vary. All these factors influence the dynamics and deformation of the continental crust and affect – especially in oblique subduction systems – how oblique convergence is partitioned onto various fault systems in the overriding plate. In order to investigate which of these factors are most important, this study compares results of lithospheric-scale 3D numerical geodynamic experiments from two regions in the north-central Andes: the Northern Volcanic Zone (NVZ; 5°N - 3°S) and adjacent Peruvian Flat Slab Segment (PFSS; 3°S -14°S). These regions exhibit a range of different configurations of the abovementioned subduction zone characteristics (from areas of extensive volcanism, large obliquity angle and well-defined sliver movement to areas lacking volcanic activity as well as significant strain partitioning) and are therefore well suited as study areas. Results from a range of experiments show that the obliquity angle has, as expected, the largest effect on initiation of strain partitioning, but development of sliver movement parallel to the margin is clearly enhanced by the presence of a continental weakness. Experiments combining different characteristics show that the subduction dip angle has the smallest impact on sliver formation. Purely mechanical models are despite their simplicity a good suited tool for investigations of subduction zone dynamics and in very good agreement with observations in nature in the particular study areas of this work as well as global subduction zones. In order to step closer to nature, the reference models (representing the NVZ and PFSS) were revisited with fully coupled thermo-mechanical experiments. The sliver movement observed in the thermo-mechanical models agrees well with their purely mechanical counterpart. While this is the case, the thermo-mechanical experiments do expose the boundary between successful (NVZ) and partly failing (PFSS) incorporation of temperature dependence into mechanical models. With this they provide a good starting point for further refinement and development of temperature dependent experiments.Väitöskirjani käsittelee subduktio- eli alityöntövyöhykkeitä. Alityöntövyöhykkeiden muodostuminen on osa Wilsonin vuonna 1966 ehdottamaa mannerlaattojen liikkeiden elinkaarta, nk. Wilsonin sykliä. Wilsonin elinkaari kuvaa, miten koskematon manner jakautuu repeytymällä ja muodostaa valtamerialtaan, joka myöhemmin, kun merellinen kuori vanhenee ja uppoaa toisen mantereen alle, taas sulkeutuu. Alityöntövyöhykkeitä kuvaavia piirteitä ovat muun muassa uppoavan laatan alityöntökulma (kuinka jyrkästi laatta taipuu ylityöntyvän laatan alle), lähestymiskulma (missä kulmassa laattojen reunat kohtaavat), alityöntövyöhykkeen tulivuoritoiminnasta johtuva vaihteleva vahvuus mannerkuoressa , ja konsepti, jota kutsutaan kuoren ositukseksi. Kuoren ositus kuvaa, miten osa ylityöntyvää laattaa irtoaa ja liikkuu laattojen välisen reunan suuntaisesti. Väitöskirjassani on tutkittu, mitkä edellä mainituista ominaisuuksista ohjaavat kuoren osittumista alityöntövyöhykkeellä. Pohjoisen Etelä-Amerikan alue on hyvä esimerkki osittumista ohjaavien ominaisuuksien vaihtelusta. Etelä-Amerikan länsireunan alityöntövyöhyke ulottuu koko mantereen pituudelle, noin 7000 km matkalle, muodostaen Andien vuoriston. Merellisen Nazca-laatan alityöntö alkoi Etelä-Amerikassa jo liitukaudella, noin 138 miljoonaa vuotta sitten. Tänään Andit muodostavat maailman pisimmän ja korkeimman vuorijonon Aasian ulkopuolella. Alueet, joissa on laajaa tulivuoritoimintaa, suuret alityöntö- ja lähestysmiskulmat ja tarkkarajainen kuoren ositus, sekä alueet ilman tulivuoritoimintaa ja merkittävää kuoren ositusta vaihtelevat Andeilla pohjois-etelä-suunnassa. Väitöskirjan numeeriset mallit ja niillä tehdyt erilaiset kokeet suunnitelttiin vinosti kohtaavan alityöntövyöhykkeen dynamiikan tutkimiseksi Etelä-Amerikan esimerkissä. Mallin tuloksien ja luonnollisten havaintojen välillä tunnistettiin hyvä korrelaatio. Mallit vahvistavat, että kuoren osituksen tapauksessa alityöntövyöhykkeet tarvitsevat suurta lähestymiskulmaa, mantereisen kuoren vähäistä lujuutta ja mahdollisesti myös pientä alityöntökulmaa. Tuloksista voidaan päätellä myös, että mantereisen kuoren vähäisellä lujuudella on suurempi vaikutus kuoren osittumiseen kuin alityöntökulmalla