Numerical modeling of transient multiphase thermo–mechanical problems: Application to the oceanic lithosphere

Abstract

Los modelos numéricos son una herramienta muy útil a la hora de estudiar la geodinámica de gran escala, la interpretación entre litosfera y manto o entre distintas placas tectónicas. En este trabajo se desarrolla una nueva herramienta numérica y se aplica a distintos casos de estudio geofísico. Se detalla todo el proceso de modelado: desde las ecuaciones físicas que gobiernan el problema, las características de las ecuaciones matemáticas, los métodos numéricos usados para aproximarse estas ecuaciones y algunos aspectos de su implementación computacional. El modelo incluye una parte mecánica y una parte térmica acopladas. La recogida utilizada es no-lineal y está basada en los procesos de deformación por difusión y por dislocación del olivino. Las ecuaciones se aproximan usando el método de los Elementos Finitos eXtendido (X-FEM) que es utilizado por primera vez en aplicaciones geofísicas. Este permite trabajar eficientemente con fluidos multiface en un ambiente Euleriano. La herramienta generada se aplica a 3 casos de estudio: i) la estabilidad de la litosfera oceánica, su evolución térmica en el tiempo y las consecuencias de ésta en los observables geofísicos como fotografía, flujo de calor superficial y velocidades sísmicas. Se tiene en cuenta especialmente utilizar parámetros físicos compatibles con los brindados por los estudios de laboratorio. ii) el desprendimiento o detachment de una placa subducida. Se relaciona este proceso con las consecuencias geológicas superficiales que generaría: topografía generada, tiempos en que tarda el proceso, etc. Se estudia también la influencia de los principales procesos que pueden afectar al detachment: calor generado por fisipación viscosa, calor generado por compresión adiabática de los materiales, etc. El tercer caso de estudio relaciona la velocidad de convergencia entre las placas con el ángulo de subducción. Se realizan una serie de experimentos numéricos de forma sistemática para ver la relación entre estos parámetros.