Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

PLATONICS - Shaping PLAnetary tecTONICS by solid-state convection incorporating damage and inheritance

Alternativ tittel: PLATONIKK - Utforming av PLAnetarisk tekTONIKK ved fast-fase konveksjon med inkorporering av skade og arv

Tildelt: kr 7,7 mill.

Overflaten til mange planeter har en tekstur som skyldes tektonisk overflatetektonikk, som på Jorden opptrer som et resultat av platetektonikk. Jordens overflate er delt opp i et antall jordplater som beveger seg. Jordplatene blir født oppstår ved midthavsrygger og forgår i subduksjonssoner. Ingen annen planet opererer i dag med en tilsvarende mekanisme som sørger for effektiv resirkulering av skorpemateriale ned i planetens dype indre og dermed styrer planetens langsiktige utvikling. Grunnen til at Jorden er så unik forblir en gåte, hvis og dens løsning er essensiell for å forstå planetær utvikling i resten av vårt solsystem. Andre legemer oppviser forskjellige typer overflatetektonikk, som steinplaneten Venus eller Jupiters is-måne Europa. Det observerte mangfoldet vitner om samspillet mellom forskjellige mekanismer og hvordan de former planetenes overflater. Prosjektet PLATONICS er basert på hypotesen om at overflatetektonikk er drevet av prosesser i planetens indre. Disse inkluderer konveksjon i fast fase, altså storskala materialtransport som gjør at varme effektivt fjernes fra det indre av planeten. Konveksjon påfører spenninger og deformerer skorpen avhengig av spenningsnivået i skorpen og av skorpenes styrke. Styrken er bestemt av det tektoniske miljøet på storskala, men også av prosesser på korn/krystall-skala- det være seg i is eller bergarter - og kan endres over tid. Kornstørrelse minsker ved deformasjon, noe som medfører lavere styrke, men når deformasjonen opphører, vokser kornene igjen og materialstyrken øker. Tidligere deformerte bergarter og is husker altså sin historie. Å bestemme skalaene og historiene av deformasjon, hvordan den arves og hvordan små- og storskala prosesser samhandler for å forme utviklingen av planetarisk tektonikk er det viktigste formålet med PLATONICS. I dette prosjektet utvikler vi et numerisk rammeverk som forbinder relevante, forskjellige skalaene og sammenligner prognosene med jorden, Venus og Europa. Målet er å fremme vår forståelse i planetarisk tektonikk og hvorfor bare jorden utviklet platetektonikk. For å oppnå dette har det metodiske rammeverket blitt forbedret i løpet av prosjektet og brukt for å undersøke flere spesifikke spørsmål. Samtidig som vi implementerte muligheten for at flere deformasjonsmekanismer kan opptre samtidig, enten dominert av diffusjon eller dislokasjon av korngrenser, undersøkte vi hvilke mekanismer som dominerer i de ulike regionene av en steinmantel slik som Jordens egen. Avhengig av hvilken mekanisme som opptrer, kan man observere ulike typer overflatetektonikk med forskjellige overflatehastigheter og ulike former av subduksjon. Videre gjorde vi reologien av en slik steinmantel sensitiv til kornstørrelse og fant tydelige forandringer i øvre mantel og i viskositetsstrukturen til dypere søylestrømmer. Denne ekstra sensitiviteten gjør det også mulig for utvikling av svake soner i skorpen, og disse kan potensielt fungere som soner av tektonisk aktivering. Vi utforsket også bergartens 'hukommelse' i en enklere parameterisering basert på akkumulering av belastning, og fant at dette bidro til å utvikle plate-lignende oppførsel slik som vi ser på Jorden. Ved å bruke denne parametriseringen for en gitt styrke av intakt oseanisk litosfære, har vi vist at det er mer sannsynlig å observere plate-lignende oppførsel. Vi overførte den kornstørrelsessensitive reologien til Venus og Europa. For Venus undersøkte vi hvordan dens økte overflatetemperatur endrer skadeakkumulering og demper arveeffekter. Resultatene tyder på at den plastiske styrken til litosfæren fortsatt er det kontrollerende middelet for det tektoniske regimet. Venus-lignende overflatetemperaturer endrer fortsatt stilen til tektonisk gjenoppretting, men dette er ikke først og fremst drevet av kornstørrelsesutvikling. For Europa iverksatte vi ytterligere deformasjonsmekanismer som er relevante for is. Kornstørrelsesreduksjon påvirker styrken til Europas overflatelag, men ikke tilstrekkelig til å overvinne den høye styrken på grunn av den lave overflatetemperaturen. Uten ytterligere svekkelse forblir overflaten av Europa stort sett udeformerbar, inkonsistent med observerte kratertettheter. Tidevannsoppvarming av det iskalde skallet favoriserer tynning av det ubevegelige overflatelaget under spesifikke forhold, men vil i sin tur forårsake betydelig smelting av isskallet. Syntesen av de oppnådde resultatene antyder at evolusjon av kornstørrelse og tektonisk arv påvirker planetarisk indre struktur og evolusjon, men ikke så sterkt som temperatur og plastisk svikt i overflatebergarter gjør. Spesielt er genereringen av en innledende svakhet som kan arves avgjørende. Evolusjon av kornstørrelse ble ikke funnet å være en effektiv mekanisme for å gjøre dette, i det minste i nåtidslignende planetariske mantler.

This project pushed forward the treatment of rock rheology in the long-term evolution of planetary rocky mantles and ice shells. The project demonstrated that approximations commonly used in the community of mantle dynamics do not capture well the dynamic behaviour of subducting slabs and the coupling between surface tectonics and global mantle flow. The evolution of the materials grain size through space and time is an important agent to determine how and at which rate materials deform and therefore couple the interior and the surface. The project led to a numerical framework which has been used, and can be used further in future, to exploit interior-surface evolution for a manifold of planetary objects with solid surfaces. In the light of upcoming space missions, especially those to Venus and to Jupiter’s Galilean satellites in the upcoming decade, this framework can prove useful for future research directing towards our understanding of planetary surface tectonics. The framework can straight-forwardly be upgraded to simulate other planetary objects than investigated here (Earth, Venus, Europa), refined parameter values from field and laboratory measurements can easily be tested, and additional physical processes such as surface processes like erosion and sedimentation can be added to make the framework more realistic compared to real planets. This project had a specific focus on the role of tectonic inheritance in the sense that the previous accumulated deformation history matters for the subsequent evolution of surface tectonics. Indeed, it was found for example that the accumulation of strain preserved in near-surface rocks can make Earth-like tectonics more feasible in terms of lithospheric strength. Also, grain size evolution in subduction zones is capable of creating weak zones in the lithosphere that may subsequently get reactivated and it tends to make surface tectonics less episodic. On the other hand, this study indicated that those features may only refine a planet’s tectonic regime, but do not determine it on first order. Since the detailed role of grain size evolution and how it leads to tectonic inheritance was found to be rather sensitive to some poorly constrained parameters, the results obtained invite for future collaborative studies between mantle dynamic modelling and experimental rock deformation, and, regarding icy satellite evolution, the community of terrestrial glaciology.

Many planetary surfaces in our solar system are strongly textured and feature e.g. mountains, valleys, and rifts. Surface tectonics describes the origin of many of such features. Earth's peculiar form of tectonics, 'plate tectonics', is unique in our solar system, but tectonic activity is observed on a variety of bodies, from Earth's neighbour Venus to icy satellites orbiting the outer planets, like Jupiter's moon Europa. Planetary observations are often sparse and surface tectonics is thus of major importance for our understanding of these bodies as it provides insight into the dynamic processes acting on them. Prominent among these processes is solid-state convection, which likely occurs (occurred) in terrestrial mantles and icy planetary shells across the solar system. Convection-induced stress may lead to deformation at the surface and generates features such as Earth's plates. This is governed by rheology, which links deformation to the induced stress. However, rheology is not only a snapshot depending on the instantaneous stress, but depends on the preceding history, e.g. on Earth, zones of pre-existing weakness persist over long geological time due to slow healing from previous damage and focus subsequent deformation: a memory that impacts the further tectonic evolution. To consistently grasp the complex feedback between convection inducing stress, surface deformation, and its inheritance a 3D dynamic framework is necessary, but is yet missing. The PLATONICS project will implement such a framework based on convection models incorporating the grain size evolution of rocky (or icy) material and its impact on rheological damage and inheritance. It will thereby boost our understanding of how Earth's plate boundary network has evolved and will reveal the variety of tectonic patterns on tectonically active bodies. This is of key interest in the light of upcoming space missions exploring these worlds some of which may even harbour life below their tectonic shell.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek