The role of rheology and water in the deformation of subducting slabs

Abstract

Procesu subdukce, významnému hnacímu faktoru deskové tektoniky, byla v posledních dekádách věnována značná pozornost. Porozumění komplexním mechanismům, kontrolujících dynamiku subdukce, je zásadní pro pochopení chování desek v přechodové oblasti, rozložení napětí spojeného s hlubokou seismicitou, transportu vody, ale také variací v deskových pohybech, které jsou řízeny změnami subdukční rychlosti. Předchozí studie ukázaly, že deformace subdukující litosféry v hlubších partiích zemského pláště závisí na reologii kůry a pláště a fázových přechodech. V této práci využíváme numerické modelování subdukce k detailnějšímu pochopení vlivu materiálových vlastností na subdukci. Dříve bylo ukázáno, že velikost konstantní viskozity kůry hraje v chování subdukce důležitou roli. Zde se zaměřujeme na vliv nelineární reologie kůry. Ukazujeme, že existuje zpětná vazba mezi rychlostí desky a nelineární viskozitou kůry. Variace viskozity kůry v čase vedou k dočasné stagnaci desky v přechodové oblasti (PO) a následnému proniknutí do spodního pláště. Zabýváme se také vlivem vody v kůře. Ukazujeme, že kromě snížení viskozity kůry voda takéurychluje subdukci hydratací plášťového klínu. Na druhou stranu, nižší hustota hydratované kůry, může výrazně snižovat rychlost subdukce, zvláště v počátečním stádiu jejího vývoje. V...

The process of subduction, a key driver of plate tectonics, has been intensively studied over the past few decades. Understanding the complex mechanisms that control subduction dynamics is essential for comprehending slab fate in the transition zone, stress distribution associated with deep seismicity, water transportation, but also changes in plate motions driven by variations in slab sinking speed. Previous studies have shown that the combined effects of the rheology of crust and mantle and phase transitions control the deformation of the subducting lithosphere in the deeper parts of the Earth's mantle. In this thesis, we use numerical modeling of subduction to further elaborate on the material properties that influence subduction. It has been previously shown that magnitude of constant crustal viscosity plays an important role in the slab behavior. Here we build on these findings and concentrate on the impact of nonlinear crustal rheology. We find that there is a feedback between slab velocity and nonlinear crustal viscosity that enhances transient nature of slab behavior and eventually facilitates slab penetration to the lower mantle after a temporary period of stagnation in the transition zone (TZ). Further, we evaluate the effects of water present in the oceanic crust. We show that besides...