Numerical modelling of subduction zones : thermo-mechanical stabilization as a function of overriding plate rheology and thickness

Tese de Mestrado, Ciências Geofísicas (Geofísica Interna), 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasA subducção é um processo inerente a placas oceânicas e ocorre como resposta ao contraste de densidades positivo entre as placas oceânicas e o manto subjacente. As zonas de subducção contemporâneas são caracterizadas por uma geometria unilateral, onde a placa inferior (PI) afunda para o manto por debaixo da placa superior (PS), que permanece à superfície. No entanto, uma PS oceânica poderia apresentar um contraste de densidades positivo em relação ao manto subjacente em zonas de subducção intra-oceânicas, resultando no colapso inevitável de ambas as placas, isto é, numa subducção bilateral. Existem na natureza zonas de subducção intra-oceânicas onde ambas as placas querem colapsar, mas não existe nenhuma evidência de uma geometria bilateral. O mecanismo estabilizador que previne as zonas de subducção intra-oceânicas contemporâneas de evoluirem para uma geometria bilateral ainda não é totalmente compreendido. Nós sugerimos que o forearc, que compreende a região da PS entre o arco magmático e a trincheira, pode funcionar como tal mecanismo. Já foi proposto que a serpentinização desta região, por fluídos provenientes da PI, reduz a força mecânica efetiva do canal de subducção (i.e., a interface entre as placas), o que permite subducção unilateral. No entanto, a presença de uma canal de subducção fraco por si só poderá não ser suficiente para impedir que a PS afunde. A presença de um forearc flutuante no extremo da PS pode fornecer a contraforça necessária para prevenir que a PS afunde e, consequentemente, a nucleação de uma subducção bilateral. Existem estudos que já implementam um forearc nos seus modelos numéricos mas, visto que a sua influência dinâmica ainda não foi estudada, não é possível prever o seu impacto e/ou atribuir um comportamento dinâmico do sistema à sua presença. De modo a compreender o papel do forearc na dinâmica da subducção, foi desenvolvido um conjunto de modelos utilizando software Underworld numerical code, uma ferramenta numérica utilizada em modelação geodinâmica. Realizou-se uma parameterização, ou seja, uma variação sistemática, de várias propriedades físicas do forearc, nomeadamente a sua espessura (que é dada pela idade da PS), densidade, e comprimento. As propriedades físicas da PI e da restante porção da PS foram mantidas constantes em todos os modelos. Ao seguir esta metodologia foi possível atribuir qualquer variação dinâmica do sistema às modificações realizadas às propriedades do forearc. Foi também desenvolvido um modelo sem forearc de modo a aceder a qual o impacto da ausência desta estrutura no sistema de subducção. No total foram desenvolvidos doze modelos: onze com forearc e um sem forearc. Todos os modelos apresentam uma reologia termo-mecânica, isto é, a forma como o material se deforma aquando aplicada uma força (stress) é função do campo de temperatura. Além disso, os modelos são totalmente dinâmicos, ou seja, a única força que atua no modelo é a força da gravidade, não existindo nenhuma outra inicialmente imposta. Os modelos simulam uma subducção intra-oceânica, onde ambas as placas possuem uma crosta oceânica caracterizada por duas camadas: uma superficial mais fraca composta por basalto, e uma profunda mais resistente composta por gabro. A subducção já é iniciada em todos os modelos ao atribuir uma geometria litosférica assimétrica, o que proporciona a instabilidade inicial necessária para a PI afunde livremente. De maneira a facilitar o início de subducção, implementámos uma zona de fraqueza na interface entre as placas que irá localizar grande parte da deformação. Implementámos uma free surface como condição de fronteira no topo do modelo, o que permite o desenvolvimento de topografia e compensação isostática. O fundo do modelo é caracterizado por uma condição de fronteira fechada no-slip, o que simula tanto o efeito de ancoragem do slab na transição entre o manto superior e manto inferior como a varição drástica das propriedades físicas e químicas que ocorre entre estas duas camadas. As condições de fronteira laterais do modelo são periódicas, o que permite o movimento livre do material do manto. Em tais condições, se, por exemplo, material mantélico sair pela fronteira direita volta a entrar de novo no domíno do modelo pela fronteira esquerda com as mesmas propriedades físicas. Assim o slab poderá movimentar-se lateralmente livremente. Os modelos com forearc mostram um comportamento dinâmico bastante semelhante entre eles. Durante a fase inicial da subducção, o slab afunda e acelera até alcançar a fronteira inferior do modelo. De seguida o slab deforma e adopta uma geometria concâva direcionada para a PS. A partir deste momento o sistema entra na fase de steady-state que é caracterizada pela evolução até ao equilibrio das forças. Esta fase é fortemente marcada pelo recuo da trincheira e pelo ângulo suave do slab. Todos os modelos mostram que a partir de um determinado momento a velocidade da trincheira ultrapassa a velocidade da PI (inicialmente superior), indicando que a subducção da PI passa a ser cada vez mais acomodada pelo recuo da trincheira do que pelo movimento lateral da PI. O modelo sem forearc, apesar de apresentar semelhaças com os modelos com forearc durante os primeiros instantes, apresenta uma fase de steady-state bastante distinta. Durante esta última, observa-se a estagnação do sistema, pois não existe praticamente movimento por parte da PI. Além disso, observamos que o slab verticaliza e que a trincheira encontra-se praticamente imóvel, indicando, uma vez mais, a ineficácia e estagnação da subducção. De modo a inferir como é afetada a dinâmica da subducção, são analisadas as propriedades cinemáticas e geométricas dos modelos. As primeiras pois revelam como é afetado o balanço de forças, e as segundas como é que o sistema responde ao novo campo de forças. Observamos que a migração da trincheira é constrangida cada vez mais à medida que a idade da PS aumenta. Isto pois, uma PS mais velha é mais grossa, e portanto resiste mais ao movimento lateral. Verificamos que a migração da trincheira é facilitada para forearcs menos densos. Isto pois, quanto menor a densidade desta estrutura, maior o gradiente de pressão gerado ao longo da interface, que é direcionado para a PI. Tal aumento do gradiente de pressão força a trincheira a recuar. No caso do comprimento do forearc, verificamos que a velocidade da trincheira aumenta para forearcs mais compridos. Isto pois, forearcs mais compridos elevam-se mais devido ao equilíbrio isostático. Uma maior elevação resulta numa defleção das isóbaras, acabando por intensificar o gradiente de pressão através da interface. Este mecanismo força a trincheira a recuar. Relativamente à geometria dos modelos, os nossos resultados mostram que a idade da PS não afeta significativamente a geometria do slab assim como a posição da trincheira. Isto pois, ao alterar a idade da PS é também alterado a força de sucção na interface, isto é, a força que mantém as placas acopladas, de maneira a que placas mais velhas (mais grossas) implicam um aumento desta força. A ação desta força pode ser decomposta em dois mecanismos: (i) o constragimento da migração da trincheira e (ii) uma força de elevação no slab. Cada mecanismo afeta a geometria do slab, mas tem efeitos opostos: o primeiro aumenta o ângulo enquanto que o segundo o diminui. Os dois efeitos anulam-se, não havendo portanto nenhuma alteração na geometria do slab. Pelo contrário, a variação tanto da densidade como do comprimento do forearc mostra afetar a geometria do slab. O slab assume ângulos mais suaves à medida que é considerado um forearc menos denso ou um mais comprido. Este efeito resulta do facto de forearcs com estas características intensificarem o recuo da trincheira. Além disso, o slab mostra formar um bojo entre 150 e 400 km de profundidade, ficando mais pronunciado à medida que é considerado um forearc menos denso ou um mais comprido. Esta assinatura é consequência da variação do fluxo de material na cunha mantélica. Este fluxo afeta o slab por impor uma força de elevação. Quanto menor a intensidade maior será a força resultante (nos nossos modelos termo-mecânicos). Os modelos com forearcs menos densos ou mais compridos apresentam um menor fluxo de material nesta região, o que resulta numa maior força de elevação. A presente investigação sugere que o forearc é essencial para manter o canal de subducção fraco o suficiente de maneira a que a a PI afunde continuamente. A flutuabilidade associada ao forearc previne o canal de subducção de cessar ao impedir que a PS com flutuabilidade negativa dobre para baixo, o que resultaria na estagnação do sistema. Além disso, mostramos que o forearc influência a dinâmica da subducção maioritariamente através da alteração da pressão de contacto na interface de placas. A pressão de contacto é afetada pelo gradiente de pressão que se gera através da interface de placas. O forearc influência este gradiente diretamente ao impor um contraste de densidades ao longo da interface.Subduction is a process inherent to oceanic plates and occurs as a response to the positive density contrast between the oceanic plates and the underlying mantle. Present-day subductions zones are characterized by a one-sided geometry, where a downgoing plate (DP) sinks into the mantle while underthrusting the overriding plate (OP), which stays afloat. However, an oceanic OP could present a positive density contrast regarding the underlying mantle in intra-oceanic subduction zones, resulting in the inevitable sinking of the two plates, i.e., in double-sided subduction. Intra-oceanic subduction zones where both plates want to collapse are found in nature, but there is no evidence of a double-sided geometry. The mechanism stabilizing present-day intra-oceanic subduction zones and preventing them from evolving towards a double-sided setting is still not fully understood. We suggest that the forearc, which comprises the region of the OP between the magmatic arc and the trench, may work as such a mechanism. It has already been proposed that the serpentinization of this region, by percolating fluids from the sinking DP, reduces the effective mechanical strength of plate coupling along the subduction interface, allowing the one-sided subduction observable in nature. However, the presence of a weak plate interface alone could not be enough to prevent the OP from sinking. Adding a buoyant forearc to the tip of the OP could provide the counterforce required to prevent the OP from sinking, and eventually, the nucleation of a double-sided subduction. There are studies that already implement a forearc structure in their numerical models but, since its dynamic influence has not been studied yet, we can not predict its impact and/or ascribe a specific dynamic behaviour of the system to it. We present a series of fully dynamic, buoyancy-driven, thermo-mechanical numerical modeling experiments with a free surface to gain insight on the dynamic role of the forearc within an intra-oceanic subduction system. We use the Underworld numerical code to perform a parameterization of the forearc geometric and physical properties, namely the thickness, length, and density. We keep all physical properties of the subducting plate constant throughout all models, allowing us to ascribe all dynamical changes solely to the variation of the forearc properties. We find that the forearc is essential to maintain the subduction channel open, allowing the continuous sinking of the subducting plate. By providing an upward buoyant force, the forearc prevents the subduction zone from stagnating. Moreover, we find that the forearc mainly influences the subduction dynamics by creating a pressure gradient across the plate interface directed towards the DP