Modelling melt ascent through the asthenosphere-lithosphere-continental crust system: Linking melt-matrix-two-phase flow with dyke propagation

Laufzeit:  01.04.2018 - 30.09.2020

Zuwendungsgeber:  DFG

Projektverantwortliche:  Dr. Eleonora Rivalta , GFZ / Prof. Dr. Harro Schmeling, Uni Frankfurt

ProjektmitarbeiterInnen:  Dr. Francesco Maccaferri , Prof. Dr. Torsten Dahm 

Projektpartner:  Universität Frankfurt

Methoden & Geräte:  Numerische Modelle / Computersimulationen

Eines der größten ungelösten Probleme in der Geodynamik von Magmen ist das physikalische Verständnis des kompletten Ablaufs des Schmelzaufstiegs, heraus aus der Quellregion in der Asthenosphäre oder der unteren Kruste hinein in flache Intrusionen, Magmakammern oder Extrusionen. Die Physik des Schmelzaufstiegs innerhalb von Quellregionen mit Temperaturen oberhalb der Solidustemperatur wird üblicherweise durch Zweiphasenströmungen von Schmelze in einer deformierbaren, kriechenden Gesteinsmatrix beschrieben. Hierbei werden die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie jeweils für die Schmelze und die Matrix gelöst. Magmaaufstieg durch die ungeschmolzene Lithosphäre oder Kruste unterhalb der Solidustemperatur wird durch mechanische Modellierungen von Dykepropagation durch ein sprödelastisches Medium beschrieben.

In diesem Projekt werden zum ersten Mal diese beiden Ansätze verknüpft und selbstkonsistent miteinander gekoppelt. Zweiphasen-Strömungsmodelle von Schmelze auf Lithosphären- oder Krustenskala sollen durch ein avanciertes Modul für Schmelzextraktion und –platznahme erweitert werden. Dieses Modul wird die verteilten partiellen Schmelzvolumen und Spannungsfelder nehmen, die zu geodynamischen Zeitschritten (Jahre bis 1000 Jahre) vom Zweiphasen-Strömungscode bereitgestellt werden, um daraus selbst-konsistent Dykepropagation auf Zeitskalen von Stunden oder Tagen zu berechnen. Die daraus resultierenden veränderten Magmaverteilungen und Spannungsfelder nach dem Steckenbleiben der Dykes oder Extrusionen werden für den nächsten geodynamischen Zeitschritt zurück in das geodynamische Modell gegeben. Durch diesen Ansatz wird zum ersten Mal Schmelzextraktion durch Dykes mit der Schmelzerzeugung in der Quellregion und der geodynamischen Evolution des tektonischen Gesamtsystems rückgekoppelt. Der neue Ansatz soll auf krustalen Magmatismus, wie er bei verdickten Krusten wie dem Altiplano (Anden), und bei Asthenosphären-Lithosphären-skaligen Rift-Plume Systemen wie dem Ost- Afrikanischen Rift System auftritt, angewendet werden.