Numerical investigation of subduction roll-back processes and the role of the overriding plate, with an application to the Western Mediterranean subduction zone

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.

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.