velikost textu

A numerical study of subduction zone dynamics using linear viscous to thermo-mechanical model setups including (de)hydration processes

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
A numerical study of subduction zone dynamics using linear viscous to thermo-mechanical model setups including (de)hydration processes
Název v češtině:
Numerické studium dynamiky subdukčních zón: Od lineárně viskózních k termomechanickým modelům zahrnujícím hydratační a dehydratační procesy
Typ:
Disertační práce
Autor:
Matthieu Thomas Quinquis, Ph.D.
Školitel:
doc. RNDr. Ondřej Čadek, CSc.
Oponenti:
Dr. Arie Van den Berg
Dr. Clare Warren
Id práce:
62146
Fakulta:
Matematicko-fyzikální fakulta (MFF)
Pracoviště:
Katedra geofyziky (32-KG)
Program studia:
Fyzika (P1701)
Obor studia:
Geofyzika (4F7)
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
4. 12. 2014
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
Název práce: Numerické studium dynamiky subdukčních zón: Od lineárně viskózních k termo-mechanickým modelům zahrnujícím hydratační a dehydratační procesy. Autor: Matthieu Quinquis. Katedra / Ústav: Katedra geofyziky, Matematicko-fyzikální fakulta / Karlova Univerzita v Praze. Vedoucí doktorské práce: doc. RNDr. Ondřej Čadek, CSc. Konzultant: RNDr. Susanne J.H. Buiter, DrSc. Abstrakt: Subdukční zóny představují složité systémy, které vykazují různé typy ma- teriálového chování, tavení a (de)hydrataci, a to na časových škálách v rozsahu vteřin (zemětřesení) až po desítky miliónů let (plašt’ové tečení). Zahrnutí takto složitého chování v rámci numerického modelu představuje velmi obtížný úkol jak z hlediska fyzikálních procesů, které musí být v modelu uvažovány, tak i z hlediska numerického a výpočetního. Numerické modely proto často systém zjednodušují, např. tím, že redukují velikost výpočetní oblasti, uměle snižují viskózní kontrasty, používají zjednodušené hraniční podmínky nebo aproximují pohyb vody a taveniny v plašt’ovém klínu pomocí přibližných rovnic. Cílem této práce je ukázat, jak taková zjednodušení v zadání numerického modelu mohou ovlivnit mechanický vývoj subdukčního systému. První sada experimentů ukazuje, jak numerická implementace hraničních podmínek v modelu zahrnujícím svrchní plašt’ může ovlivnit, zda se subdukční zóna pohybuje ve směru pohybu desky (trench advance) nebo naopak ustupuje (trench retreat). Hraniční podmínky mo- hou také určovat tvar litosférické desky zanořené do svrchního pláště. Abychom odlišili vliv zjednodušení modelu od efektů souvisejících s použitím konkrétní numerické metody, vytvořili jsme soubor různě složitých modelových uspořádání a požádali jsme několik pracovníků, používajících různé programy, aby spočetli příslušná řešení. Srovnání těchto výsledků ukazuje, že čím jednodušší je mod- elové uspořádání, tím větší je shoda mezi jednotlivými výsledky. Modely s newtonovskou viskozitou vykazují pouze pětiprocentní rozptyl základních kvanti- tativních parametrů, jako je např. sklon subdukce nebo L2 norma rychlosti. S ros- toucí složitostí reologického popisu se rozdíly ve výsledcích zvětšují, ale základní charakter subdukčního procesu zůstává u všech modelů zachován. Poslední sada experimentů pak ukazuje, jak numerická metoda, zvolená pro výpočet migrace volné vody uvnitř plášt’ového klínu, ovlivňuje prostorové rozložení hydratovaného plašt’ového materiálu. Tento hydratovaný materiál zde vzniká v důsledku de- hydratace zanořující se litosférické desky a zpětně ovlivňuje mechanický vývoj subdukčního systému. Výsledky experimentů ukázané v této práci mohou poskyt- nout ostatním pracovníkům v oblasti numerického modelování vodítko k testování v jejich vlastních programů a k základnímu pochopení vlivu jednotlivých mode- lových parametrů na vývoj subdukce. Klíčová slova: Subdukce, numerické modelování, migrace vody, hraniční podmínky, srovnávací testy, reologie. vi
Abstract v angličtině:
Title: - A numerical study of subduction zone dynamics using linear viscous to thermo-mechanical model setups including (de)hydration processes. Author: Matthieu Quinquis. Department / Institute: Department of Geophysics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University in Prague. Supervisor of the doctoral thesis: doc. RNDr. Ondřej Čadek, CSc. Consultant: RNDr. Susanne J.H. Buiter, DrSc. Abstract: Subduction zones are complex systems that include different types of material behaviour, several time-scales from short-term earthquakes to long-term mantle flow, and melting and (de)hydration processes. These complexities can be chal- lenging to include in numerical experiments, both from a physics perspective of representing a process in equations, and from a numerical perspective of keeping calculation times reasonable. Numerical models therefore often simplify the sys- tem, by, for example, limiting the size of the model domain, reducing viscosity contrasts, using simple boundary conditions, or approximating water and melt migration through the mantle wedge with simplified equations. The aim of this thesis is to show how simplifications in the set-up of a numerical model could affect the mechanical evolution of the modelled subduction system. A first set of experiments shows how the numerical implementation of surface, side and bottom boundary conditions in an experiment on the scale of the upper mantle can determine whether the model slab will evolve through trench advance or trench retreat. The boundary conditions can also control the large-scale geometry of the subducted slab in the upper mantle. In order to allow a first-order appraisal of the effects of model set-up versus the potential effects of numerical software, a set of model set-ups was created that evolve from linear viscous to thermo-mechanical rheologies. These were run by various modellers with different numerical codes. The more simplified the model set-up, the more similar the results of the different codes are. Linear viscous models provide very similar results, within 5% variability in quantitative parameters such as slab tip depth and root-mean-square velocities. Increasing the rheological complexity increases the differences in results, even though the general model evolution remains similar between codes. A last series of experiments shows how the numerical method for implementing the migration of free water affects the spatial distribution of hydrated mantle material in the mantle wedge that results from slab dehydration, The water distribution in turn affects the mechanical evolution of the subduction system. The experiments in this thesis provide a possible starting point for other numerical modellers for their study of subduction zones by providing them with a series of detailed model setups that can be used to test modelling software, obtain a first-order understanding of the effects vii of slab rheology on subduction evolution, and estimate the level of complexity of water migration mechanisms required in a model simulation. Keywords: Subduction, Numerical Modeling, Water Migration, Boundary Condi- tions, Benchmark, Rheology. viii
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Matthieu Thomas Quinquis, Ph.D. 33.69 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Matthieu Thomas Quinquis, Ph.D. 32 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Matthieu Thomas Quinquis, Ph.D. 25 kB
Stáhnout Posudek vedoucího doc. RNDr. Ondřej Čadek, CSc. 89 kB
Stáhnout Posudek oponenta Dr. Arie Van den Berg 131 kB
Stáhnout Posudek oponenta Dr. Clare Warren 100 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 70 kB