@misc{10481/108089,
year = {2025},
url = {https://hdl.handle.net/10481/108089},
abstract = {Subduction zones are places of convergence on Earth where one oceanic plate dives
beneath another tectonic plate into the mantle. They are one of the most complex
geodynamic settings and are fundamental to understanding the dynamic processes that
shape the Earth’s surface and influence geological features such as earthquakes, deep-sea
trenches, volcanism, and mountain belts. Due to large spatial and temporal scales of subduction
processes, an effective way to investigate subduction is through numerical and
analogue modelling. The development of numerical and analogue subduction models in
the last decades coupled with the diverse and growing range of subduction observations
has led to remarkable progress in understanding different aspects of subduction dynamics.
However, due to the complexity of subduction zones, numerous outstanding questions
related to general subduction dynamics and to particular subduction zones remain
under-explored. For example, how has the Gibraltar slab dynamics shaped the Alboran
domain deformation, both at lithospheric and crustal levels, over time? Which are the
main factors controlling trench retreat velocities in narrow subduction zones? Earlier investigations
have studied the impact of lateral variations in the properties of subducting
plates on subduction, but how do along-strike variations in the overriding plate structure,
which are also common in Earth’s subduction zones, influence subduction dynamics and
mantle flow? These questions, still under-explored, are of vital importance to improve
our understanding of subduction processes.
In this thesis, I investigate these research questions through 2D and 3D thermomechanical
subduction models. First, in Chapter 4, I develop 2D models to investigate the
impact of the Gibraltar slab dynamics on the Alboran domain deformation. The model
results demonstrate that during the early Miocene, the westward slab rollback caused
overall extension of the overriding Alboran lithosphere, shaping much of its present-day
crustal and lithospheric structure. The results also show that when the slab stalled in the
Gulf of Cadiz, it triggered changes in slab-induced mantle flow, resulting in overriding
plate compression near the trench and extension elsewhere in the Alboran domain. Finally,
the last stages of the model demonstrate that the ongoing movement of the deeper
portion of the slab induces a mantle flow pattern that causes some amount of westward basal drag on the Alboran lithosphere. This basal drag generates interplate compressional
stresses consistent with intermediate-depth earthquakes in western Alboran.
I then switch to 3D subduction models to demonstrate in Chapter 5 that: (i) the
subducting plate width has little effect on trench retreat velocities when it comes to narrow
subduction zones; (ii) increasing overriding plate thickness leads to a strong decrease
in trench velocities, and that is observed in natural narrow subduction zones, where an
inverse relationship with overriding plate thickness is clear; (iii) not only the slab width,
but also the overriding plate thickness and the lateral slab coupling with the lateral plate
influence the geometry of the trench. Finally, I show in chapter 6 how lateral changes in
the overriding plate thickness impact on subduction dynamics. I find that along-strike
variations of the overriding plate structure results in changes of slab morphology and
trench velocities along-strike, with shallower slab depths, higher dip angles, and lower
velocities along the thicker part of the overriding plate. These results are in agreement
with the recent geodynamic evolution of the Melanesia subduction zone, which presents
a great variability of slab depth and trench velocities along the trench, and suggest that
much of its recent trench kinematics may be explained by the heterogeneous structure of
the overriding Pacific plate. Finally, I show that as a result of the lateral variations in
trench retreat velocities, an asymmetric toroidal flow develops, with both toroidal flow
cells surrounding the slab tending to converge beneath the thin portion of the overriding
plate. Despite the complexity of 3D models, they provide a useful framework to
understand first-order observations of natural subduction zones.},
abstract = {Las zonas de subducción son lugares de convergencia donde una placa oceánica se sumerge
bajo otra placa tectónica en el manto. Constituyen uno de los procesos geodinámicos más
complejos, siendo fundamentales para comprender los procesos dinámicos que moldean la
superficie terrestre, e influyen en importantes fenómenos geológicos como los terremotos,
el vulcanismo y las cadenas montañosas. Debido a las grandes escalas espaciales y temporales
de los procesos de subducción, una forma muy extendida y eficiente de investigar
la subducción es mediante la modelización numérica y análoga. El desarrollo de modelos
numéricos y análogos de subducción en las últimas décadas, junto con observaciones globales
de zonas de subducción, ha dado lugar a un notable progreso en la comprensión de
diferentes aspectos de los procesos de subducción. Sin embargo, debido a la complejidad
de dichos procesos, numerosas cuestiones relacionadas con los procesos de subducción
en general y con ciertas zonas de subducción en particular siguen sin respuesta. Por
ejemplo, ¿cómo ha influido la evolución del slab de Gibraltar en la deformación del dominio
de Alborán, tanto a nivel litosférico como de la corteza, a lo largo del tiempo?
¿Qué factores controlan las velocidades de retroceso de la fosa en zonas de subducción
estrechas? Investigaciones previas han estudiado el impacto de las variaciones laterales
de las propiedades de la placa que subduce en la evolución de la subducción, pero ¿cómo
influyen en la dinámica de la subducción y en el flujo del manto las variaciones laterales
de la estructura de la placa superior? Estas cuestiones son de vital importancia para
mejorar nuestra comprensión de los procesos de subducción.
En esta tesis, se investigan estas preguntas mediante modelos de subducción 2D y 3D.
En primer lugar, en el capítulo 4, desarrollo modelos 2D para investigar el impacto de la
dinámica del slab de Gibraltar en la deformación de la litosfera de la placa de Alborán.
Los resultados demuestran que durante el inicio del Mioceno, el retroceso del slab hacia
el oeste provocó una extensión general de la litosfera de Alborán, dando forma a gran
parte de su estructura litosférica y cortical actual. Los resultados también muestran
que cuando el slab se bloqueó en el Golfo de Cádiz, desencadenó cambios en el flujo del
manto inducido por el slab, dando lugar a compresión de la placa superior cerca del slab y
extensión en el resto de Alborán. Finalmente, las últimas etapas del modelo muestran que el movimiento continuo de la parte profunda del slab induce un flujo mantélico que causa
cierta cantidad de arrastre sobre la litosfera de Alborán hacia el oeste. Este arrastre basal
genera esfuerzos de compresión interplaca compatibles con los terremotos de profundidad
intermedia en el oeste de Alborán.
Con el uso de modelos de subducción 3D muestro, en el capítulo 5, que: (i) la anchura
de la placa que subduce tiene poco efecto sobre las velocidades de retroceso de la fosa
cuando se trata de zonas de subducción estrechas; (ii) el aumento del grosor de la placa
superior da lugar a una gran disminución de las velocidades de retroceso de la fosa,
y eso se compara con observaciones directas en zonas de subducción estrechas en la
naturaleza; (iii) no sólo la anchura del slab, sino también el espesor de la placa superior
y el acoplamiento lateral del slab con la placa lateral influyen en la geometría de la fosa.
Por último, en el capítulo 6, muestro cómo los cambios laterales en el espesor de la placa
superior influyen en la dinámica del proceso de subducción. Los resultados muestran
que las variaciones laterales de la estructura de la placa superior dan lugar a cambios
en la morfología del slab y en las velocidades laterales de la fosa, con profundidades
del slab menores, mayores ángulos de buzamiento y menores velocidades a lo largo de
la parte más gruesa de la placa superior. Estos resultados concuerdan con la reciente
evolución geodinámica de la zona de subducción de la Melanesia, que presenta una gran
variabilidad de la profundidad del slab y de velocidades de la fosa a lo largo de la misma,
y sugieren que gran parte de su reciente evolución puede explicarse por la estructura
heterogénea de la placa superior del Pacífico. Por último, muestro que, como resultado
de las variaciones laterales en las velocidades de retroceso de la fosa, se desarrolla un flujo
toroidal asimétrico, en el que las dos celdas de flujo toroidal que rodean el slab tienden
a converger bajo la parte delgada de la placa superior. A pesar de la complejidad de los
modelos 3D, estos proporcionan conocimiento valioso para comprender las observaciones
de primer orden de las zonas de subducción en la naturaleza.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Numerical investigation of subduction roll-back processes and the role of the overriding plate, with an application to the Western Mediterranean subduction zone},
author = {Gea Jódar, Pedro José},
}