@phdthesis{Seyferth2001,
  author    = {Seyferth, Michael},
  title     = {Numerische Modellierungen kontinentaler Kollisionszonen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-3220},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2001},
  abstract  = {Orogene Prozesse in kontinentalen Kollisionszonen werden in zwei- und dreidimensionalen numerischen Modellen auf Basis der Finite-Elemente Methode (FEM) untersucht. Dabei stehen die Verteilung der Deformation innerhalb der Modellkruste, die korrespondierenden Spannungsfelder und die aus Temperaturfelddaten und Partikelpfaden abgeleitete metamorphe Entwicklung von Krustengesteinen im Vordergrund. Die Studie gliedert sich in einen methodischen Teil, umfangreiche Parameterstudien und spezielle Anwendungen auf fossile und rezente Orogene. Kontinentale Kollisionszonen sind - insbesondere in den tieferen Krustenstockwerken - durch hohe Betr{\"a}ge penetrativer Deformation gekennzeichnet. Im methodischen Teil der Arbeit wird eine Technik vorgestellt, mit deren Hilfe Verformungen des beobachteten Umfangs mit dem auf rein LAGRANGEscher Formulierung basierenden kommerziellen FE-Programmpaket ANSYS® modelliert werden k{\"o}nnen. Die speziell f{\"u}r Fragestellungen orogener Krustendynamik entwickelten Programmpakete OROTRACK bzw. OROTRACK3D umfassen Neuvernetzungs- und Ergebnisverwaltungsalgorithmen, die eine Modellierung von Konvergenzbetr{\"a}gen bis zu mehreren hundert Kilometern erlauben. Zus{\"a}tzlich k{\"o}nnen mittels einer Schnittstelle zu Oberfl{\"a}chenmodellen die Folgen exogener Prozesse auf die orogene Dynamik ber{\"u}cksichtigt werden. Weitere Charakteristika der Modellierungstechnik sind eine vollst{\"a}ndige thermomechanische Kopplung, die Anwendung differenzierter Materialeigenschaften f{\"u}r verschiedene Krustenstockwerke sowie die M{\"o}glichkeit, die Deformation - den lokal herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen entsprechend - entweder durch spr{\"o}de oder duktile Materialgesetze zu approximieren. Die zur Beschreibung eines Kollisionsszenarios aufgebrachten Randbedingungen basieren auf den Grundlagen eines Mantelsubduktionsmodells (Willett et al. 1993). In 2D-Modellen wird ebene Verformung in einem Schnitt durch die kontinentale Kruste zweier kollidierender Platten modelliert, die basal einer vom lithosph{\"a}rischen Mantel aufgepr{\"a}gten Verschiebung unterliegen. Wird der lithosph{\"a}rische Mantel der linken Platte an einem Punkt S unter die rechte Platte subduziert, ergibt sich f{\"u}r den linken Modellteil eine horizontale Verschiebung der Modellbasis nach rechts, w{\"a}hrend im rechten Modellteil keine Verschiebung der Modellbasis erlaubt ist. Im Bereich des Punktes S kommt es zu einer Diskontinuit{\"a}t der basalen Geschwindigkeit und somit zu maximaler Deformation. In publizierten Kollisionsmodellen, die auf {\"a}hnlichen Ans{\"a}tzen beruhen, wird h{\"a}ufig rein spr{\"o}des Materialverhalten angenommen oder der duktile Anteil der Kruste durch geringe Krustentemperaturen klein und hochviskos gehalten. Unter diesen Bedingungen kann eng auf das Orogenzentrum lokalisierte Deformation mit einem typischerweise bivergenten Strukturmuster abgebildet werden (Willett et al. 1993 u.a.). Demgegen{\"u}ber beweist eine erste Reihe zweidimensionaler Parameterstudien eine starke Abh{\"a}ngigkeit des beobachteten Deformationsmusters von den herrschenden Krustentemperaturen und der Konvergenzrate. Bei h{\"o}heren Krustentemperaturen bildet sich demnach ein Entkopplungshorizont an der Krustenbasis, der f{\"u}r die oberen Krustenstockwerke eine verbreiterte und diffuse Deformationszone bedingt und die erzielte Krustenverdickung limitiert. {\"U}ber die Verformungsratenabh{\"a}ngigkeit des duktilen Materialverhaltens und den unterschiedlichen Grad thermischer Reequilibrierung innerhalb der verdickten Kruste haben Variationen der Konvergenzrate {\"a}hnliche Auswirkungen auf das orogene Deformationsmuster. Verbesserte Modelle mit Neuvernetzungstechnik werden in Parameterstudien getestet, die den Einfluss unterschiedlicher Temperatur-Viskosit{\"a}tsfunktionen auf die Lokalisierung der Deformation und die resultierende synkonvergente Exhumierung metamorpher Gesteine quantifizieren. Ein rheologisches Verhalten, das eine effiziente mechanische Kopplung innerhalb des Krustenprofils gew{\"a}hrleistet, ist demzufolge nicht nur Voraussetzung f{\"u}r lokalisierte Krustenverdickung, sondern auch f{\"u}r rasche Exhumierung von Unterkrustengesteinen durch ein Zusammenspiel von Erosion und isostatischer Hebung. Die Modelle zeigen weiter, dass maximale Exhumierungsbetr{\"a}ge bei rheologisch vergleichsweise festem Verhalten der Unterkruste erzielt werden. Im Einzelnen kann die Variabilit{\"a}t der Versenkungs- und Exhumierungsgeschichte von Materialpunkten im Modellschnitt aus synthetischen PT-Pfaden ersehen werden. Der Wirkungskomplex um Krustentemperaturen, orogene Deformationslokalisierung und synkonvergente Exhumierung ist f{\"u}r die Kollisionsphase der variscischen Orogenese in Mitteleuropa von besonderer Bedeutung. Hochtemperaturmetamorphose und weitverbreitete granitoide Intrusionst{\"a}tigkeit sind hier Ausdruck hoher Krustentemperaturen; dennoch sind an den Grenzen der klassischen tektonometamorphen Einheiten - im Bereich von Schwarzwald und Vogesen sowie der Mitteldeutschen Kristallinschwelle (MDKS) - eng lokalisierte Teilorogene mit bivergentem Strukturmuster sowie eine rasche synkonvergente Exhumierung amphibolitfazieller Gesteine dokumentiert. Ein solches Nebeneinander ist aus Sicht der Parameterstudien nur durch eine vergleichsweise hochviskose Unterkrustenrheologie zu erkl{\"a}ren. In einer Fallstudie zur MDKS kommen in neueren experimentellen Arbeiten bestimmte Kriechparameter (Mackwell et al. 1998) zur Anwendung, mit denen ein derartiges Materialverhalten simuliert werden kann. Der in den reflexionsseismischen Profilen DEKORP 2N und 2S dokumentierte großmaßst{\"a}bliche Strukturbau im Bereich des rhenohercynischen Falten- und {\"U}berschiebungsg{\"u}rtels, der MDKS und des saxothuringischen Beckens, sowie die an heute exhumierten Gesteine bestimmten metamorphen Maximalbedingungen k{\"o}nnen auf dieser Grundlage numerisch reproduziert werden. Eine Erweiterung der Modellierungstechnik auf dreidimensionale FE-Modelle dient der Ber{\"u}cksichtigung orogenparalleler Deformation, die im Randbereich von Kollisionszonen in effektivem Materialtransport resultieren kann; diese Prozesse sind u.a. als „tectonic escape" (Burke \& Seng{\"o}r 1986) oder „lateral extrusion" (Ratschbacher et al. 1991b) beschrieben worden. Unter der Annahme orthogonaler Konvergenz wird im 3D-Modell der Mantelsubduktionsansatz der 2D-Modelle zun{\"a}chst in orogenparalleler Richtung extrudiert (Randbereich des Kollisionsorogens). Im angrenzenden, hinteren Teil des Modells (laterales Vorland des Kollisionsorogens) ist die Modellbasis dagegen keiner Verschiebung oder Fixierung unterworfen. Die Modellr{\"a}nder unterliegen hier einer sogenannten „no-tilt"-Bedingung, die eine differentielle Horizontalverschiebung initial {\"u}bereinanderliegender Knoten verbietet. In einer Reihe von Parameterstudien werden das kinematische Muster, die r{\"a}umliche Verteilung der Deformation und die zeitlichen Variationen des oberfl{\"a}chlichen Spannungsfelds untersucht, die sich bei modifizierten Randbedingungen ergeben. Laterale Extrusion ist demnach im Randbereich von Kollisionsorogenen trotz unterschiedlichster Modellszenarien stets pr{\"a}sent. Da die Lateralbewegungen zeitgleich mit der Kollision einsetzen und im Laufe der weiteren konvergenten Krustenverk{\"u}rzung nur wenig beschleunigt werden, ist der von horizontalen Kr{\"a}ften ausgel{\"o}ste „tectonic escape" der dominierende Prozess, w{\"a}hrend gravitativ induzierte Bewegungen nur eine sekund{\"a}re Rolle spielen. Rigide Modellr{\"a}nder in Teilen des lateralen Vorlands modifizieren sowohl Umfang als auch Verteilung der Horizontalbewegungen, ihre Auswirkungen auf das Orogen selbst sind dagegen vergleichsweise gering. Variationen der Krustentemperaturen, der Konvergenzrate und der Unterkrustenrheologie beeinflussen dagegen sowohl die orogene Deformation als auch die des lateralen Vorlands. Unter der Annahme einer festen, isotropen Kopplung zwischen der Krustenbasis und dem bewegten lithosph{\"a}rischen Mantel werden Extrusionsraten simuliert, die 30\% der Konvergenzrate nicht {\"u}berschreiten. Bis zu 70\% k{\"o}nnen dagegen erreicht werden, wenn eine orogenparallele Beweglichkeit der Modellbasis gestattet wird. Die {\"u}berragende Bedeutung dieser basalen Randbedingung erlaubt eine Interpretation des mioz{\"a}nen lateralen Extrusionsereignisses in den Ostalpen (z.B. Ratschbacher et al. 1991a). Wenn im Bereich der heutigen Ostalpen zu Beginn der lateralen Extrusion noch kein orogene Topographie bestand (Frisch et al. 1998), fand laterale Extrusion zeitgleich mit bedeutender Krustenverdickung statt; dies spricht f{\"u}r eine Dominanz des von horizontalen Kr{\"a}ften induzierten Prozesses „tectonic escape" {\"u}ber gravitatives Kollabieren. In jedem Fall legt das in etwa ausgeglichene Verh{\"a}ltnis zwischen Plattenkonvergenz und lateraler Extrusion die Existenz eines basalen Entkopplungshorizonts nahe. Andere Faktoren, die zur Erkl{\"a}rung des Extrusionsereignisses herangezogen werden, z.B. die Indentation der S{\"u}dalpen oder ein extensives Regime im Bereich des Pannonischen Beckens, k{\"o}nnen das Deformationsmuster beeinflusst haben, die beobachteten Verschiebungsbetr{\"a}ge sind damit jedoch aus Sicht der Modellstudien nicht plausibel zu machen. Aufgrund ihres großen Maßstabs lassen sich die Verh{\"a}ltnisse bei der Kollision Indiens mit der Eurasischen Platte bislang nur ph{\"a}nomenologisch mit den Modellergebnissen vergleichen. Eine skalierte Fallstudie bleibt somit eine Herausforderung f{\"u}r zuk{\"u}nftige FE-Modelle.},
  subject      = {Subduktion},
  language  = {de}
}