Constraints on the generation of petit-spot volcanoes: numerical studies on oceanic plate subduction and melt migration


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PhD thesis: a PhD thesis.
Constraints on the generation of petit-spot volcanoes: numerical studies on oceanic plate subduction and melt migration
Bessat Annelore
Pilet Séebastien
Schmalholz Stefan M.
Institution details
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Publication state
Issued date
The discovery by Japanese researchers in 1997 of small volcanoes on the ocean floor of the Pacific plate that is subducting beneath Japan, was a great scientific surprise. The presence of volcanoes in this region close to the subduction zone where no deep mantle plumes are observed, has prompted questions concerning the formation of intra-plate volcanism. The hypothesis for the formation of these volcanoes, known as petit-spot volcanoes, is that they are linked to the flexure of the lithosphere at the subduction front. This flexure results in extension at the base of the lithosphere allowing for the extraction of small quantities of pre- existing melts at the base of the lithosphere. Nevertheless, this model remains a hypothesis based only on general observations. Extraction of these melts would be associated with the development of lithospheric-scale fractures, needed to allow melts to be transported and form volcanoes at the surface. However, no physical model has been developed to test these hypotheses.
The aim of this thesis is to understand the formation of petit-spot volcanoes by providing mechanical constraints on the flexure of a lithospheric plate in a subduction zone and the extraction of melts in a viscous medium. The first part of my thesis focuses on the resulting stress and deformation within an oceanic lithosphere that is flexing due to subduction. Here I aim to identify the key parameters that affect the mechanics of a subduction zone using the 2D thermo-mechanical (TM) code, MDoodz. This numerical code utilises finite difference (FD) and marker-in-cell methods. We test two subduction scenarios: (1) “forced subduction” where horizontal velocities are applied to the lateral boundaries of the plates during the en- tire simulation, and (2) “free subduction” where horizontal velocities are stopped when the subducting slab is long enough to continue subducting without far-field horizontal velocity. We have determined that a slab pull of 1.8 TN·m−1 is required to continue free subduction. The major results of this study show that elasto-plastic deformation is the dominant defor- mation mechanism in the upper part of the lithosphere and within the slab, and that viscous deformation dominates the lower part of the lithosphere. The magnitude and distribution of the deviatoric stresses, which illustrate the regions of compression and extension, shows that maximum values are in the upper lithosphere and in the region of flexure. Values are close to zero at the base of the lithosphere and there is no significant extension at the base of the lithosphere. We also tested the impact of elasticity and reduction of the internal angle of friction in our simulations. The results show that elasticity has a large impact on the magnitude and distribution of deviatoric stresses and if the internal angle of friction is too small, it results in the detachment of the slab and slab pull can no longer be transmitted to the plate. Comparisons of the topography and gravity anomaly of our model with natural bathymetry and free-air gravity anomalies across the Mariana trench, demonstrates that the chosen density fields and the modelled flexural behaviour is compatible with natural data.
The second part of this thesis examines, on the one hand, the mechanisms linked to the percolation and extraction of melts at the base of the lithosphere, in an environment where viscous deformation dominates, and on the other hand the physico-chemical interaction be- tween the solid and the melt. In order to study this percolation process and to investigate the impact of chemical differentiation on melt migration, we have developed a 1D thermo- hydro-mechanical-chemical transport (THMC) code with two phases (melt and solid). Our code is based on modelling porosity waves coupled to a thermodynamic database for Gibbs free energy minimisation. Our chemical system is simple and composed of the ternary system forsterite-fayalite-silica. All variables, such as density, MgO or SiO2 concentrations for melt and solid are functions of pressure (P ), temperature (T ) and total silica concentration. We use pressure and temperature conditions applicable to the base of the lithosphere and we use two geothermal gradients, one adiabatic and one conductive, to evaluate the impact of tem- perature on melt migration. The results show that both the total SiO2 concentrations and the variable geotherms have a strong impact on the velocity of melt migration. The results of our preliminary 2D model demonstrates that the melt velocity transported by the porosity wave mechanism varies between 1 and a few hundred metres per year, depending on the viscosity of the melt. These values are comparable to transport velocities of melt estimated at mid-ocean ridges.
The results presented in this thesis demonstrate that the formation of petit-spot volcanoes is more complex than once thought. The first study highlighted the lack of extension and the dominance of viscous deformation mechanisms in regions at the base of the lithosphere. It therefore seems impossible to extract melts from the base of the lithosphere via the develop- ment of fractures at the lithospheric scale. Our observations are, on the contrary, compatible with an alternative model for the formation of petit-spot melts. Our model proposes that small quantities of melts first percolate and interact with the base of the lithosphere. This process will then produce a so-called ”metasomatic” enrichment of the region. A dynamic view of this process shows that small quantities of melts, after interacting with the base of the metasomatized lithosphere, will subsequently reach brittle portions of the lithosphere and thus allow for the development of hydrous fractures allowing melts to rise up and reach the surface. The second study enabled a better constraint on the mechanisms of melt percolation in ductile regions, and investigated the processes needed to extract and percolate melt under conditions associated with the base of the lithosphere. During this percolation, the melt will interact with the solid resulting in compositional changes. This highlights the link between the processes of metasomatism that are observed in petrological studies of petit-spot volcano rocks and the physical mechanisms that control the extraction of melt.
La découverte par des chercheurs japonais en 1997 de petits volcans sur le plancher océanique de la plaque pacifique qui plonge sous le Japon a été une grande surprise scientifique. En effet, la présence de volcans dans cette région, proche de la zone de subduction mais où aucun plume mantellique profond n’est connu, remet en question l’hypothèse de formation du volcanisme intra-plaque. L’hypothèse de formation de ces volcans, dits de type petit-spot, est qu’ils sont liés à la flexure de la lithosphère en front de subduction. Cette flexure produirait une extension à la base de la lithosphère permettant l’extraction de petites quantités de magmas préexistants à la base de la lithosphère. Néanmoins, ce modèle de formation reste une hypothèse ne reposant que sur des observations générales. Par exemple, l’extraction de ces magmas serait associée au développement de fractures à l’échelle lithosphérique permettant à ces magmas de remonter et de former les volcans à la surface, mais aucun modèle physique n’a été développé pour tester ces hypothèses.
Le but de cette thèse est de comprendre la formation des volcans petit-spot en fournissant des contraintes mécaniques sur la flexure d’une plaque lithosphérique dans une zone de subduction et l’extraction de magma dans un milieu visqueux. La première partie de ma thèse
étudie les contraintes et les déformations d’une lithosphère océanique fléchie dans une zone de subduction. Elle a pour but d’identifier les paramètres clés qui impactent la mécanique d’une zone de subduction en utilisant le code 2D thermo-mécanique (TM) MDoodz. Ce code numérique est basé sur la méthode des différences finies (FD) et des < marker-in-cell >. Nous avons testé deux scénarii de subduction : (1) une subduction forcée où une vitesse horizontale est appliquée aux bordures des plaques durant l’entier de la simulation et (2) une subduction libre où nous stoppons la vitesse horizontale lorsque le panneau plongeant (c.-à-d. slab) est assez long pour continuer à subduire sans aide. Nous avons déterminé qu’une force de traction (slab pull) de 1.8 TN·m−1 est nécessaire pour continuer une subduction libre. Les résultats majeurs de cette étude ont montré que la déformation élasto-plastique est le mécanisme de déformation dominant dans la partie supérieure de la lithosphère et le panneau plongeant et que la déformation visqueuse domine la partie inférieure de la lithosphère. La magnitude et la distribution des contraintes déviatoriques, qui illustrent les régions en compression ou en extension, montrent que les valeurs maximales se situent dans la partie supérieure de la lithosphère et dans la région de la flexure. Les valeurs sont proches de zéro à la base de la lithosphère et il n’y a pas d’extension significative à la base de la lithosphère. Nous avons
également testé l’impact de l’élasticité et de la réduction de l’angle de friction interne dans nos simulations. Les résultats montrent que l’élasticité a un grand impact sur la magnitude et la distribution des contraintes déviatoriques et que si l’angle de friction interne est trop faible, il cause le détachement du panneau plongeant et la force traction (slab pull) ne peut plus être transmise à la plaque. La comparaison entre la topographie et l’anomalie de gravité de notre modèle avec des données naturelles de bathymétrie et d’anomalie à l’air libre dans la région de la fosse des Mariannes nous montre que les champs de densités choisis et le comportement de la flexure modélisée sont compatibles avec des données naturelles.
La deuxième partie de cette thèse s’interroge d’une part aux mécanismes liés à la percolation et à l’extraction de magmas à la base de la lithosphère, dans un milieu où la déformation visqueuse domine, et d’autre part à l’interaction physico-chimique entre le solide et le magma. Dans le but d’étudier ce processus de percolation et d’investiguer l’impact de la différenciation chimique dans la migration du magma, nous avons développé un code de transport thermo-hydro-mécanico-chimique (THMC) en 1D avec deux phases, une partie magma et une partie solide. Notre code est basé sur la modélisation des vagues de porosité < porosity waves > et est couplé à une base thermodynamique obtenue par la minimisation de l’énergie de Gibbs. Notre système chimique est simple, composé du system ternaire forstérite-fayalite-silice. Toutes les variables, comme la densité ou les concentrations en MgO ou SiO2 pour le magma et le solide sont des fonctions de la pression (P), de la température (T) et de la concentration totale de silice. Nous utilisons des conditions de pression et de température applicable à la base de la lithosphère et nous utilisons deux gradients géothermiques, un adiabatique et un conductif, pour voir quel impact a la température sur la migration du magma. Les résultats montrent que la concentration totale en SiO2 et les différents géothermes ont un impact fort sur la vitesse de migration du magma. Les résultats d’un modèle préliminaire en 2D mettent en évidence que la vitesse des magmas transportés par le mécanisme de < porosity waves > varie entre 1 et quelques centaines de mètres par an, en fonction de la viscosité du magma. Ces valeurs sont comparables aux vitesses de transport des magmas estimées au niveau des rides médio-océaniques.
Les résultats présentés dans cette thèse montrent que la formation des volcans petit-spot est plus complexe qu’il n’y paraît. La première étude a permis de mettre en évidence le manque d’extension à la base de la lithosphère et que la déformation visqueuse est le mécanisme dominant dans cette région. Il semble donc impossible d’extraire des magmas de la base de la lithosphère via le développement de fracture à l’échelle lithosphère. Nos observations sont, au contraire, compatibles avec un modèle alternatif pour la formation des magmas de type petit-spot. Ce modèle propose que de faibles quantités de magmas commencent par percoler et interagir avec la base de la lithosphère. Ce processus va produire un enrichissement dit < métasomatique > de cette région. Dans une vision dynamique de ce processus, de petites quantités de magmas, après avoir interagi avec la base de la lithosphère métasomatisée, vont atteindre la partie cassante de la lithosphère permettant le développement de fracture jusqu’à la surface. La deuxième étude a permis de mieux contraindre le mécanisme de percolation des magmas dans le domaine ductile et a permis d’investiguer comment il est possible d’extraire et faire percoler un magma dans des conditions relatives à la base de la lithosphère. Durant cette percolation, le magma va interagir avec le solide et changer sa composition. Ceci permet de mettre en lumière le lien entre les processus de métasomatisme qui sont observés par l’étude pétrologique des roches des volcans petit-spot et les mécanismes physiques qui contrôlent l’extraction des magmas.
Create date
01/07/2021 9:22
Last modification date
13/08/2021 7:12
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