Thermo-mechanical modelling and fluid transfers in subduction zones
Modélisation thermomécanique et transferts de fluides dans les zones de subduction
Résumé
Volcanism in subduction zones is associated to lithospheric plate dehydration. The presence of water allows pulling down partial melting conditions.
A bi-dimensional finite element model has been developed in order to study the influence of subduction zone geometrical parameters on partial melting. This model incorporates classical fluid mechanics equations and the simultaneous computation of partial melting and water transfers between minerals in the mantle and crust. In the technical part, energy conservation equation is solved using a Galerkin procedure while mass and momentum
equations are solved by a penalty method. Fluid transfers are incorporated with a tracer cell method. Each tracer includes compositional and water content information. The released water content which takes part in partial melting is computed from the temperature and pressure conditions resulting from the thermo-mechanical model.
The results are in line with geochemical data recorded in lavas from volcanic arcs. Thereby, an increasing overriding crustal thickness is related to a decreasing magmatic production, while convergent rate acceleration is correlated with an increasing partial melting rate.
A bi-dimensional finite element model has been developed in order to study the influence of subduction zone geometrical parameters on partial melting. This model incorporates classical fluid mechanics equations and the simultaneous computation of partial melting and water transfers between minerals in the mantle and crust. In the technical part, energy conservation equation is solved using a Galerkin procedure while mass and momentum
equations are solved by a penalty method. Fluid transfers are incorporated with a tracer cell method. Each tracer includes compositional and water content information. The released water content which takes part in partial melting is computed from the temperature and pressure conditions resulting from the thermo-mechanical model.
The results are in line with geochemical data recorded in lavas from volcanic arcs. Thereby, an increasing overriding crustal thickness is related to a decreasing magmatic production, while convergent rate acceleration is correlated with an increasing partial melting rate.
Le volcanisme des zones de subduction est associé à la déshydratation de la plaque lithosphérique subduite. La présence d'eau permet d'abaisser les conditions nécessaires au déclenchement de la fusion partielle du manteau.
Un modèle numérique bidimensionnel en éléments finis a été développé afin de déterminer l'influence des paramètres géométriques de la subduction sur cette fusion partielle. Ce modèle intègre de manière couplée la résolution des équations de la mécanique des fluides, le calcul de la fusion partielle et les transferts d'eau entre les différentes phases minéralogiques du manteau et de la croûte. Du point de vue technique, les équations de conservation de l'énergie sont résolues par une méthode de type Galerkin tandis que les équations de conservation de la masse et du moment utilisent une procédure de pénalisation. La prise en compte des transferts de fluides se fait par le biais d'une méthode de traceurs. Chacun d'entre eux porte une information de composition minéralogique et de teneur en eau. En fonction des conditions de pression et de température, nous pouvons déterminer, à partir d'un diagramme de phase, les teneurs maximales en eau que peut accepter un traceur et donc évaluer la migration du fluide.
Les résultats obtenus sont en accord avec les données géochimiques enregistrées en surface dans les laves des arcs
volcaniques. Ainsi, une augmentation de l'épaisseur de la croûte chevauchante est associée à une diminution de la production magmatique totale, tandis qu'une augmentation du taux de convergence des plaques est corrélée avec une augmentation du taux de fusion partielle.
Un modèle numérique bidimensionnel en éléments finis a été développé afin de déterminer l'influence des paramètres géométriques de la subduction sur cette fusion partielle. Ce modèle intègre de manière couplée la résolution des équations de la mécanique des fluides, le calcul de la fusion partielle et les transferts d'eau entre les différentes phases minéralogiques du manteau et de la croûte. Du point de vue technique, les équations de conservation de l'énergie sont résolues par une méthode de type Galerkin tandis que les équations de conservation de la masse et du moment utilisent une procédure de pénalisation. La prise en compte des transferts de fluides se fait par le biais d'une méthode de traceurs. Chacun d'entre eux porte une information de composition minéralogique et de teneur en eau. En fonction des conditions de pression et de température, nous pouvons déterminer, à partir d'un diagramme de phase, les teneurs maximales en eau que peut accepter un traceur et donc évaluer la migration du fluide.
Les résultats obtenus sont en accord avec les données géochimiques enregistrées en surface dans les laves des arcs
volcaniques. Ainsi, une augmentation de l'épaisseur de la croûte chevauchante est associée à une diminution de la production magmatique totale, tandis qu'une augmentation du taux de convergence des plaques est corrélée avec une augmentation du taux de fusion partielle.