Dynamics of subduction systems with opposite polarity in adjacent segments: application to the Westernmost Mediterranean

Abstract

[eng] The objective of this thesis is to study the first-order dynamics of subduction systems characterized by opposite dip polarity in adjacent plate segments. The absence of previous studies analyzing the geodynamic evolution of these systems has defined the research strategy of the present work. Consequently, the thesis consists of three different parts combining analog experiments and numerical models of very simple double subduction systems and its application to the Westernmost Mediterranean where a subduction system with opposite polarity in adjacent plate segments (double polarity subduction) has been proposed to explain the formation and evolution of this region.

Part 1. Analog experiments of subduction systems with opposite polarity in adjacent segments Firstly, I have studied the first-order plate dynamics of subduction systems with opposite polarity in adjacent plate segments by means of analog experiments. Laboratory experiments have been carried out in the Laboratory of Experimental Tectonics in Roma Tre University during a two month stay in Rome (Italy) under the advice of Prof. Dr. Francesca Funiciello and Prof. Dr. Claudio Faccenna. A total of eighteen experiments have been designed, including four with a single plate subduction as reference models. The laboratory experiments are composed of one or two separates plates made of silicon putty representing the lithosphere and glucose syrup representing the mantle. The plates are fixed at their back edge to enforce a slab rollback behavior and subduction is started by deflecting manually the leading edge of the plate (i.e.,

initial slab pull). Different setups have been designed to test the influence of the width of plates and the initial separation between them on the evolution of the system. Results show that the mantle flow induced by both plates is asymmetric relative to the axis of each plate causing a progressive merging of the toroidal cells that prevents a steady state phase of the subduction process and generates a net outward drag perpendicular to the plates. Trench retreat velocities depend on the relative position of the trenches, increasing when trenches approach to each other and decreasing when they separate after their intersection.

Part 2. Reproducing analog experiments of subduction systems with numerical modeling Secondly, some of the previous laboratory experiments have been performed by means of numerical modeling to compare and complement previous results and quantify the relevant physical parameters characterizing a double polarity subduction system. Around thirty-five numerical models, in addition to preliminary tests, have been performed although only fifteen are presented in this thesis showing the most outstanding and satisfactory results. The set of the numerical models have been run in the supercomputer MARENOSTRUM 4 (Barcelona Supercomputing Center, Spain) and BRUTUS (Swiss Federal Institute of Technology, Switzerland), with an average computation time of 3 weeks per model.

The 3D numerical setup is chosen with similar material parameters, geometry and dimensions as for previous subuction analog models consisting on one or two viscous plates descending into the upper mantle in opposite directions. Plates are fixed at their trailing edge to enforce roll-back behavior during density-driven subduction. A small perturbation is initially imposed to initiate subduction. Firstly, computational domain size, boundary conditions, rheology and thickness of plates are tested to find the numerical model that best represents analog experiments. Secondly, relevant parameters controlling the double polarity subduction process are studied by means of numerical techniques. Results show that the most suitable numerical boundary conditions to reasonably reproduce the analog results are free-slip at the lateral boundaries and no-slip at the bottom of the model. Lateral boundary conditions affect the evolution of the system at short distances allowing for a reduction of the size of the model domain relative to the analog model and to increase the resolution and saving computation time. Complementing previous experiments of double polarity subduction, numerical results show that the induced mantle flow generates a stress coupling between the adjacent plates slowing down the overall subduction process

and producing lateral movement of plates and asymmetrical deformation of the slabs and trenches.

Part 3. The Alboran and Algerian basins (Westernmost Mediterranean). A case study of double subduction with opposite polarity in adjacent segments. Finally, a 3D numerical model of double subduction with opposite polarity in adjacent plate segments has been performed simulating the tectonic setting of the Westernmost Mediterranean. The evolution of the Alboran-Tethys slab (Betic-Rif slab) is reproduced in this tectonic scenario studying the influence of the adjacent plate segment. Around forty numerical models have been performed varying physical and geometrical parameters, including preliminary numerical tests. In this thesis only the final double polarity subduction model and a single plate subduction model are presented. The numerical models have been run in the supercomputer MARENOSTRUM 4 (Barcelona Supercomputing Center, Spain) with an average computation time of 4 weeks per model. The model setup consists of two oceanic plate segments with a visco-plastic rheology subducting in opposite directions into the viscous upper mantle and starting at 35 Ma. In the present-day Alboran Basin region, the plate segment corresponding to the Alboran-Tethys slab (Betic-Rif slab) dips to the southeast with the trailing edge fixed to the Iberian margin. A continental African plate segment is included at the west side of this plate. In the present Algerian Basin region the plate segment (Tell-Kabylies slab) dips to the northwest and the trailing edge is fixed to the African margin. A small slab perturbation to account for the Africa- Iberia convergence prior to 35 Ma is initially imposed and the subsequent subduction process is driven by Rayleigh-Taylor instability. In addition, a reference model including only the Alboran-Tethys slab has been performed in order to study the influence of an adjacent plate segment subducting in opposite direction. Results show that the progressive curvature of the Alboran-Tethys slab is due to the lack of a transform zone in its connection with the Atlantic oceanic to the west and the strong segmentation of the African margin. This produces larger retreat velocities in the eastern side of the slab, where a transform zone separates the Alboran segment from the Algerian segment, than in the western side. Trench retreat velocities of both plate segments are measured concluding that the opening of the Alboran Basin occurs around 22 Ma. The influence of the adjacent Algerian segment generates an asymmetrical flow pattern around both trenches slowing down the overall subduction process of the Alboran plate segment.

[spa] El objetivo de esta tesis consiste en estudiar la dinámica de sistemas de doble subducción con polaridad opuesta en segmentos adyacentes. La ausencia de estudios previos sobre el análisis de la evolución geodinámica de estos sistemas ha definido la estrategia de investigación del presente trabajo. En consecuencia, esta tesis consta de tres partes diferenciadas que combinan tanto experimentos análogos como modelos numéricos de sistemas de doble subducción y su posterior aplicación a la región del Mediterráneo occidental, donde se ha propuesto un sistema de doble subducción con polaridad opuesta en segmentos adyacentes para explicar su formación y evolución.

Parte 1. Experimentos análogos de sistemas de subducción con polaridad opuesta en segmentos adyacentes La primera parte de esta tesis consiste en analizar la dinámica de los sistemas de doble subducción con polaridad opuesta en segmentos litosféricos adyacentes mediante experimentos análogos. Estos experimentos se han llevado a cabo en el Laboratorio de Tectónica Experimental en la Universidad de Roma Tre durante una estancia de dos meses en Roma (Italia) bajo la supervisión de la Prof. Dr. Francesca Funiciello y el Prof. Dr. Claudio Faccenna. Se han diseñado un total de dieciocho experimentos, incluyendo cuatro modelos de referencia de subducción simple (una placa). Estos experimentos consisten en una o dos placas elaboradas con silicona representando la litosfera y un tanque lleno de jarabe de glucosa representando el manto. Las placas se fijan en su borde posterior para imponer un comportamiento de retroceso de las fosas de subducción (trench rollback) y la subducción se inicia hundiendo manualmente el borde delantero de la placa. Se han diseñado diferentes

configuraciones para probar la influencia en la evolución del sistema de la anchura de las placas y la separación inicial entre ellas. Los resultados muestran que el flujo del manto inducido por ambas placas es asimétrico con respecto al eje de cada placa. Esto provoca una fusión progresiva de las celdas toroidales impidiendo una fase de estabilización del proceso de subducción y generando una fuerza de arrastre neta que tiende a separar las placas. Las velocidades de retroceso de las fosas (velocidad de subducción) dependen de la posición relativa de éstas, aumentando cuando las fosas se acercan entre sí y disminuyendo cuando éstas se separan después de su alineación. Parte 2. Reproducción de experimentos análogos de sistemas de subducción mediante modelos numéricos En segundo lugar, se han realizado una serie de modelos numéricos, basados en los experimentos análogos realizados en la primera parte con el objetivo de comparar y complementar los resultados anteriores así como cuantificar los parámetros físicos más relevantes que caracterizan a un sistema de doble subducción con polaridad opuesta. En total, se han realizado alrededor de treinta y cinco modelos numéricos, además de las pruebas preliminares, aunque en esta tesis sólo se presentan quince de ellos mostrando los resultados más relevantes. Los modelos numéricos se han calculado principalmente en los supercomputadores MARENOSTRUM 4 (Centro de Supercomputación de Barcelona, España) y BRUTUS (Instituto Federal Suizo de Tecnología, Suiza), con un tiempo de cálculo promedio de 3 semanas por modelo. La configuración numérica 3D se elige con parámetros de geometría, dimensiones y materiales similares a los modelos análogos de subducción realizados anteriormente. Éstos consisten en una o dos placas viscosas que subducen en el manto superior en direcciones opuestas. Las placas están fijadas en su borde posterior imponiendo un comportamiento de retroceso de la fosa durante la subducción. La subducción se produce debido a la diferencia de densidades entre la placa y el manto a partir de una pequeña subducción impuesta inicialmente. En primer lugar, se estudian el tamaño del dominio computacional, las condiciones de contorno, la reología y el grosor de las placas para encontrar el modelo numérico que mejor representa el experimento análogo. En segundo lugar, se estudian los parámetros más relevantes que controlan el proceso de doble subducción con polaridad opuesta mediante técnicas numéricas. Los resultados muestran que las condiciones de contorno del modelo numérico más adecuadas para reproducir los experimentos análogos son el deslizamiento libre en las paredes laterales del dominio computacional y el deslizamiento nulo en la pared inferior. Las condiciones de contorno laterales sólo afectan a la evolución del sistema a distancias muy pequeñas, lo que permite una reducción del tamaño del dominio computacional en relación con el modelo análogo

aumentando la resolución numérica y disminuyendo el tiempo de cálculo. De manera complementaria a los resultados observados en los experimentos análogos, los resultados numéricos muestran que el flujo inducido del manto genera un acoplamiento en la tensión entre las placas adyacentes, ralentizando el proceso de subducción. Así mismo, se produce un movimiento lateral entre las placas en superficie y una deformación asimétrica de las porciones subducidas (slabs) y de las fosas.

Parte 3. Las cuencas de Alborán y Argelia (Mediterráneo occidental). Un caso de estudio de doble subducción con polaridad opuesta en segmentos adyacentes

Finalmente, se ha realizado un modelo numérico 3D de doble subducción con polaridad opuesta en segmentos litosféricos adyacentes simulando la configuración tectónica del Mediterráneo occidental. El modelo numérico reproduce la evolución del segmento de placa de Alborán-Tethys estudiando la influencia del segmento de placa adyacente de Argelia- Tethys. Se han realizado alrededor de cuarenta modelos numéricos variando parámetros físicos y geométricos, incluyendo los modelos numéricos preliminares. En esta tesis sólo se presentan el modelo final de doble subducción con polaridad opuesta y de subducción simple. Los modelos numéricos se han calculado en el supercomputador MARENOSTRUM 4 (Centro de Supercomputación de Barcelona, España) con un tiempo de cálculo promedio de 4 semanas por modelo. El modelo consta de dos segmentos de placa oceánica con una reología viscoplástica que subducen en direcciones opuestas en el manto superior viscoso. El modelo se inicia hace 35 millones de años. En la región actual de la cuenca del Alborán, el segmento de placa de Alborán-Tethys subduce hacia el sureste con el borde posterior fijado al margen ibérico. Se incluye un segmento de placa continental africana en el lado oeste de esta placa. En la región actual de la cuenca argelina, el segmento de placa de Tell-Kabylies subduce hacia el noroeste y el borde posterior se fija al margen africano. El estado inicial del modelo considera la convergencia entre África e Iberia desde el temprano Cretácico hasta el tardío Eoceno imponiendo una subducción inicial de los segmentos de placa de 150 km. El posterior proceso de subducción es impulsado por la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Además, se ha realizado un modelo de referencia de placa simple que incluye sólo el segmento de Alborán-Tethys para estudiar la influencia del segmento adyacente subduciendo en dirección opuesta. Los resultados muestran que la curvatura progresiva de la placa de Alborán-Tethys se debe a la falta de una zona de transformación en su conexión con el océano Atlántico al oeste y la gran segmentación del margen africano. Esto produce unas velocidades de retroceso de la fosa mayores en el lado este de la placa de Alborán-Tethys que en el lado occidental, donde una

zona de transformación la separa del segmento de Argelia-Tethys. El cálculo de las velocidades de retroceso de las fosas de ambos segmentos de placa concluyen que la apertura de la cuenca de Alborán se produjo aproximadamente hace 22 millones de años. La influencia del segmento argelino adyacente genera un patrón de flujo asimétrico alrededor de ambas fosas que ralentiza el proceso de subducción general del segmento de la placa de Alborán- Tethys.