Petrological-thermomechanical numerical modelling of early Earth orogenic styles

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1 DISS. ETH NO Petrological-thermomechanical numerical modelling of early Earth orogenic styles DISSERTATION Submitted to ETH ZURICH for the degree of DOCTOR OF SCIENCES presented by ELENA SIZOVA Dipl.-geochem. (M.Sc.), Lomonosov Moscow State University, Russia born October 23, 1984 citizen of Russian Federation accepted on the recommendation of Prof. Dr. Paul Tackley Prof. Dr. Taras Gerya Prof. Evgene Burov Prof. Michael Brown examiner co-examiner co-examiner co-examiner 2011

2 Abstract The present picture of the Earth s history is derived mainly from geological and geochronological observations of the continental crust. Nevertheless the further we look back in the Earth s history, the less observation we have and therefore the less we know about tectonic regime. To improve our understanding of plate tectonics on the Earth back in time we have to combine knowledge derived from the geological record with results from well-constrained numerical modelling. Here, the numerical investigation of possible orogenic styles back in the Earth s history has been made based on 2D models for two types of the convergent boundaries: oceanic-continental (results in subduction) and continentalcontinental (results in collision). The dependence of tectono-metamorphic and magmatic regimes at these active margins on upper-mantle temperature, radiogenic heat production and other parameters was systematically investigated using 2D petrological-thermomechanical numerical models of oceanic-continental subduction and continental collision. For the oceaniccontinental subduction setting, we have identified a first-order transition from a no-subduction tectonic regime at high upper-mantle temperatures more than 200 K above the present-day values (rapid movements of small internally deformable plate fragments) through a pre-subduction tectonic regime at K above the present-day values (shallow underthrusting of the oceanic plate under the continental plate) to the modern style of subduction. The link between geological observations and model results suggests that this transition might have occurred during the Mesoarchean-Neoarchean ( Ga). The crucial parameter controlling subduction is the degree of lithospheric weakening induced by emplacement of sub-lithospheric melts into iv

3 CHAPTER 0. ABSTRACT the lithosphere. For the continental collision setting we have identified strong dependencies of tectonic regimes on upper-mantle temperatures as well as on the effective rheology of lower continental crust. At present day conditions weak lower continental crust gives rise to a decoupled continental collision with the formation of a wide orogenic belt with medium-grade metamorphism (UHPM). In contrast, strong lower crust results in a coupled collision forming narrower orogenic belts comprising ultra-high-pressure metamorphic complexes. Increase of the mantle temperature for more than 100K above present-day values promotes development of hot and narrow convergence zones bounded by lithospheric extension and decompression melting regions ( failed collision ) in cases with stronger lower crust. Cases with weaker lower continental crust result in narrow two-sided orogens with deep and hot crustal roots ( hot collision ). The link between geological observations and model results suggests that the transition from the hot collision regime to the modern style of collision might have occurred during the Neoproterozoic when ultrahigh-pressure metamorphic rocks first appear in the continental geological record. Based on a numerical model of continental collision, we propose a new model for the exhumation of UHPM rocks as thermally-induced, slab-parallel ductile crustal extrusions. This model is particularly relevant for exhumation of high-temperature UHPM rocks. The generation of melt-bearing continental crust during subduction is a consequence of the crust being in contact with hot asthenosphere at ultrahigh-pressure conditions, and the enhanced buoyancy drives the subsequent exhumation of the UHPM rocks to middle crustal levels. The temperatures achieved in the model at UHP conditions are the highest obtained so far in experiments using numerical models. v

4 Kurzfassung Das heutige Bild der Erdgeschichte beruht auf geologischen und chronologischen Beobachtungen der Erdkruste. Je weiter man aber in der Erdgeschichte zurückgeht, desto weniger Beobachtungen liegen vor und folglich sind nur wenig Kenntnisse über die Tektonik vorhanden. Um unser Verständnis der Plattentektonik weiter zu verbessern, ist es unumgänglich die Erkenntnisse aus der Geologie mit Daten aus guten numerischen Modellierungen zu kombinieren. Hier, die numerischen Untersuchungen von möglichen Gebirgsbildungen während der Erdgeschichte basierte auf 2D Models für zwei Typen: ozeanisch-kontinentale Konvergenz (führt zu Subduktion) und kontinentale - kontinentale Konvergenz (führt zur Kollision). Das tektonisch, metamorphe und magmatische Regime an diesen aktiven Rändern ist abhängig von der Temperatur des oberen Mantels, der radioaktiven Hitzeproduktion und weiteren Parametern. Mittels eines numerischen 2D Models (petrologisch - thermo-mechanischen) von ozeanisch-kontinentale Subduktionszonen und kontinentalen Kollisionsregionen wurden die oben beschriebenen Parameter systematisch untersucht. Wir identifizierten einen Übergang erster Ordnung eines tektonischen Regime ohne Subduktion für das ozeanisch-kontinentale Subduktionregime, bei einer Temperatur des oberen Mantels von über 200 K über den heutigen Werten (schnelle Bewegung bei kleiner interner Verformung von Plattenteilen). Weiter wurde, bei einer Temperatur von K über heutigen Werten, ein Regime mit einem Vor-Subduktions Regime identifiziert (flache Unterschiebung der ozeanischen Platte unter die kontinentale Platte). Abschließend identifizierten wir auch heutige Formen von Subduktionszonen. vi

5 CHAPTER 0. KURZFASSUNG Die Verbindung zwischen geologischen Beobachtungen und unseren Modellen lassen vermuten, dass diese Übergangphasen während der Mesoarchaikum- Neoarchaikum ( Ga) stattfanden. Der Grad der lithosphärischen Schwächung ist dabei der ausschlaggebende Parameter, welcher die Subduktion kontrolliert und durch das Eindringen von sub-lithosphärischen Schmelzen in die Lithosphäre verursacht wird. Bei der kontinental-kontinental Kollision ist das tektonische Regime sowohl von der Temperatur des oberen Mantels, als auch von der effektiven Rheologie der unteren kontinentalen Kruste abhängig. Bei den heutigen Konditionen führt eine geschwächte kontinentale Kruste zu einer Entkoppelung bei der kontinentalen Kollision mit der Bildung eines breiten Gebirgsgürtels bei einer Metamorphose mittleren Grades. Im Gegensatz dazu führte eine starke Kruste zu einer gekoppelten Kollision mit engen Gebirgsgürtel, welche Formationen von metamorphen Hochdruckgestein bildeten. Eine Erhöhung der Manteltemperatur von über 100 K über dem heutigen Wert förderte die Entwicklung von heißen und engen Konvergenzzonen, welche durch eine Extension in der Lithosphäre und einer Region mit Dekompressionsschmelz begrenzt war ( failed collision ). In Fällen mit einer schwachen unteren kontinentalen Kruste konnten wir eine enge doppelseitige Gebirgsbildung mit einer tiefen und heißen Wurzel in der Kruste ( hot collision ) feststellen. Die Beziehung zwischen geologischen Beobachtungen und den Modellen führt zu der Vermutung, dass der Übergang von einem failed/hot collision Regime zu den heutigen Kollisionsstilen während des Neoproterozoikums stattfand, als metamorphe Hochdruckgesteine zum ersten Mal in den Aufzeichnungen der kontinentalen Geologie erschienen war. Basierend auf einem numerischen Model einer Kontinent-Kontinent Kollision, stellen wir ein neues Konzept für die Exhumierung von UHPM Gesteinen, vii

6 CHAPTER 0. KURZFASSUNG dürch thermisch induzierte, slab - parallele, duktile Extension der Kruste vor. Dieses Model ist von besonderer Bedeutung, für die Exhumierung von hoch-temperatur Gesteinen. Die Bildung von schmelzhaltiger, kontinentaler Kruste an Subduktionszonen erfolgt dürch den Kontakt von kontinentaler Kruste mit heisser Asthenosphere bei ultrahochdruck Bedingungen. Der erhöhte Auftrieb führt anschliessend zur Exhumierung von UHP Gesteinen in mittlere Krusten Tiefen. Die in diesem Model bei Ultrahochdruck erreichten Temperaturen, sind die höchsten die dürch numerische Modellierungen bisher nachgewiesen wurden. viii