 |
Numerical modeling of the interaction of subduction, mountain building and back-arc basin extension: A case study from the Pannonian Basin and surrounding arc-back-arc systems
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120149 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Erdős, Zoltán |
| Title in Hungarian |
Szubdukció és ív-mögötti medence extenzió kapcsolatának vizsgálata 2- és 3-dimenziós numerikus modellezéssel: Esettanulmány a Pannon medence és környezetéből |
| Title in English |
Numerical modeling of the interaction of subduction, mountain building and back-arc basin extension: A case study from the Pannonian Basin and surrounding arc-back-arc systems |
| Keywords in Hungarian |
Numerikus modellezés, extenzió, szubdukció, Pannon medence, ív-mögötti medence |
| Keywords in English |
Numerical modeling, extension, subduction, Pannonian Basin, back-arc basin |
| Discipline |
| Geophysics, Physics of the Lithosphere, Seizmology (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Geophysics |
|
| Panel |
Earth sciences 1 |
| Department or equivalent |
Department of Geophysics (Eötvös Loránd University) |
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2021-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
6.792 |
| FTE (full time equivalent) |
4.50 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Míg az elmúlt évtizedekben a szubdukciós zónák és a riftesedés tanulmányozására jelentős figyelem összpontosult, addig a szubdukciós ív-ív-mögötti medence rendszerek dinamikájának és összefüggéseinek megismerésére jóval kevesebb erőforrás összpontosult. A projekt fő célja, hogy közelebb vigyen ezen rendszerek fejlődésének pontosabb megismeréséhez, miközben különleges figyelmet szentel a Pannon-medencének és a környező mediterrán típusú ív-mögötti medencéknek.
A Pannon-medence sajátos geodinamikai helyzetéből fakadóan hosszú ideje egyfajta természetes laboratóriumként szolgál az ív-mögötti medencék megnyúlásának tanulmányozására. A közepes mértékű megnyúlás és a vele egy időben a Kárpátok és a Dinaridák mentén végbemenő rövidülés és szubdukció összetett rendszert alkot, miközben a nagy mennyiségben rendelkezésre álló geológiai és geofizikai adatok kiváló segítik a modell-paraméterek pontos szabályozásához.
Projektünk három, egymással szorosan összefüggő kérdésre igyekszik 2- és 3Ds termo-mechanikai modellek segítségével választ találni:
Az első szakaszban arra keressük a választ, hogy milyen folyamatok hatására megy végbe szimultán extenzió a Pannon-medencében és aktív megrövidülés és szubdukció a Kárpátokban.
A második szakaszban azt vizsgáljuk meg, hogy milyen kezdeti és peremfeltételek szabályozzák az ív-mögötti medencék szerkezeti evolúcióját, különös tekintettel a Pannon-medencére, ahol a korai „core-complex” stílusú deformációt egy jobban elterülő, széles extenziós stílus követ.
A harmadik szakaszban arra keressük a választ, hogy milyen feltételek szükségesek a Pannon-medence korai fejlődési szakaszában megfigyelt transztenziós medencék kialakulásához.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A projekt fő célja, hogy közelebb vigyen a szubdukciós ív-ív-mögötti medence rendszerek fejlődésének pontosabb megismeréséhez, miközben különleges figyelmet szentel a Pannon-medencének és a környező mediterrán típusú ív-mögötti medencéknek.
Három, egymással szorosan összefüggő, mégis jól elkülöníthető kérdésre (K) igyekszünk 2- és 3Ds termo-mechanikai modellek segítségével választ találni:
K1: Sok kontinentális ív-mögötti medencére jellemző a szubdukciós zóna mögött több száz km hosszan jelenlévő a vékony (~60 km) litoszféra. Ezen jelenség eredete annak ellenére sem tisztázott, hogy több elmélet („gravitational thinning”, „ablative subduction” etc.) is született a mögöttes mechanizmusra. A jelenség kialakulása mögött álló folyamatok mellett az sem tisztázott, hogy a megnyúlás hatására létrejövő köpenyfeláramlás milyen mértékben járul hozzá a vele egy időben megfigyelhető intenzív megrövidüléssel a kapcsolódó szubdukciós zóna felett.
K2: A kezdetben megvastagodott kéreg és az aktív köpeny-feláralmás is kulcsszerepet játszhat az ív-mögötti medencékben sok helyen megfigyelt szerkezeti evolúcióban, melynek során kezdetben „core-complex” majd „széles” stílusú megnyúlás dominál. A második szakasz célja a fenti két folyamat egymáshoz viszonyított szerepének megvizsgálása.
K3: Sok mediterrán ív-mögötti medencére jellemző, hogy a szubdukció „rollback” mechanizmusa hatására létrejön ugyan megnyúlás, de közben mégis nagy általánosságban kontrakciós erőtérben helyezkedik el. Itt azt vizsgáljuk meg, hogy a köpeny-feláramlás és hozzá kötődően a kéreg termális gyengülése befolyással van-e a medencében kialakuló domináns megnyúlási rezsimre (traszntenzió vs. „pure-shear”).
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A számítógépes módszerek folyamatos fejlődésének és a számítási kapacitások egyre nagyobb mértékű növekedésének következtében egyre több és több, a föld dinamikájának megértését célzó kutatásban kapnak jelentős szerepet különböző numerikus modell. Az ebben a pályázatban felvázolt projekt szervesen illeszkedik ezen nemzetközi kutatási trendbe. Emellett új perspektívát nyit meg az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) számára a nemzetközi kutatói együttműködések területén is, hiszen a Bergeni Egyetem és az olasz Università Roma TRE kutatócsoportjaival közös együttműködést kínál.
A projekt szerves folytatását képezi aktív kutatási irányoknak, melyeket: a) a riftesedés, megnyúlásos tektonika és hegységképződések területén Ritske S. Huismans (Bergeni Egyetem, Norvégia), b) a szubdukciós folyamatok modellezése területén Claudio Faccenna (Università Roma TRE, Olaszország) és c) az inverziós tektonika és öröklött gyengeségi zónák modellezésének területén Erdős Zoltán (ELTE) képvisel. Amennyiben támogatásban részesül, a projekt össze fog kötni két nemzetközileg is jelentős tektonikai kutató-csoportot az ELTE-vel, mely intézmény nagy múltra tekint vissza a geodinamikai folyamatok és a Pannon-medence dinamikájának kutatásában.
A kutatás jelentős mértékben profitál majd a résztvevő kutatók különböző, de egymást kiválóan kiegészítő szakterületeken szerzett tapasztalataiból.
A projekt fő célja a Pannon-medence és környezetének szerkezetfejlődési történetének még jobb, még pontosabb megértése, de emellett számos más mediterrán és cirkum-pacifikus típusú ív-mögötti medence rendszer evolúciójára nézve is lehetnek implikációi. Mivel ezek a medencék gyakran jelentős szénhidrogén és geotermikus potenciállal rendelkeznek, a kutatás a társadalom és az ipar számára is jelentős haszonnal kecsegtet.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Ebben a projektben számítógépes szimulációk segítségével igyekszünk tanulmányozni a Pannon-medence kialakulásának körülményeit.
Geológiai időskálán nézve minden szilárd anyag nagyon sűrű folyadékként viselkedik (gondoljunk csak a szurokra). A földkéreg anyagainak ezen tulajdonságát kihasználva létrehozunk egy koherens matematikai-fizikai modellt, melyben a kéregben zajló folyamatokat vizsgálhatjuk.
Geológiai és geofizikai adatok (például geológiai térképek, földrengés-észlelések), valamint számítógépes szimulációk és analóg modellek összevetésével évtizedek óta elfogadottá vált a lemeztektonika modellje, mely szerint a földkéreg egymáshoz képest mozgó, gyakran darabokra szakadó lemezekből áll. Amikor két lemez összeütközése során az egyik alábukik a másiknak, létrejön egy úgynevezett szubdukciós zóna. Az ilyen szubdukciós zónák mögött a kéreglemez gyakorta megnyúlik és kivékonyodik. Szakemberek között széles körben elfogadott nézet, hogy a Pannon-medence is így keletkezett.
Már évtizedek óta vizsgálják a szubdukciós zónák mögötti kéreg-kivékonyodásban szerepet játszó fizikai folyamatokat, de a témában még mindig akadnak megválaszolatlan kérdések.
Ebben a projektben a szubdukció és a mögötte zajló kéregkivékonyodás három egymással szoros kapcsolatban álló, mégis jól elkülönülő vetületét járjuk körül, a Pannon-medence példáján keresztül. A Föld hasonló helyzetű területei általában jelentős szénhidrogén, valamint geotermikus potenciált mutatnak, míg a szubdukciós zónák általában földrengés-veszélyeztetettség szempontjából kiemelten fontos területek, így az itt zajló folyamatok minél pontosabb megértése kulcsfontosságú társadalmi és gazdasági szempontból egyaránt.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
While there has been a lot of work focusing on improving our understanding of divergent and convergent plate boundaries, the intricate nature of back-arc extension, where subduction and large scale extension occur and interact in close proximity, is yet to be explored properly. The aim of this project is to improve our knowledge on back-arc basin evolution with a special focus on the Pannonian Basin and its surroundings.
The Pannonian Basin is widely recognized as a natural laboratory to study back-arc basin evolution. Its intermediate extension and the coeval compression and subduction in the surrounding Carpathians and Dinarides creates a complex system, while the abundance of high-quality geophysical and geological datasets allows for a great control of modeling parameters.
The proposed project consist of three closely related, yet clearly distinct sub-projects (SPs).
In SP 1, we will investigate factors controlling formation of active back-arc extension and coeval arc shortening in the Pannonian Basin and other Mediterranean systems.
In SP 2, we will explore the most important processes and key conditions responsible for the two-stage evolution that characterizes many arc-back-arc systems around the globe. We aim to disentangle the relative roles of thickened initial crust and active lithospheric thinning in the evolution of these systems.
In SP 3, we will focus on the 3D aspects of the Pannonian back-arc basin evolution. We aim to improve our understanding of why the early Pannonian rift-phase is characterized by an extensive strike-slip regime, dominated by pull-apart basins.
To achieve these goals, we will use 2D and 3D thermo-mechanical models.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main goal of this project is to improve our understanding of the controlling processes of back-arc basin evolution with a special focus on the Pannonian Basin and the surround arc - back-arc systems.
The proposed project consist of three closely related, yet clearly distinct sub-projects (SPs), designed to address different aspects of these complex tectonic systems.
SP 1: Many continental back-arc basins have thin (~60 km) lithosphere for 100s of km behind the subduction zone. The origin of such anomalously thin lithosphere is not well-understood even though a number of potential driving mechanisms have been put forward from gravitational thinning to ablative subduction. Regardless of the process driving the mantle-upwelling underneath the overriding plate, it remains unclear, to what degree mantle thinning and upwelling may contribute to shortening and mountain building above the subduction zone.
SP 2: Both inherited thickened crust and active thinning and heating of the back-arc area may promote the formation of core complex style extension followed by more distributed wide rifting. The relative roles of increased geothermal gradient versus inherited thick crust are not well established. In SP 2, we aim to disentangle the relative roles of these processes.
SP 3: Several Mediterranean back-arc regions are characterized by slab retreat and back-arc extension while at the same time being in an overall contractional regime. In SP 3, we aim to test whether mantle upwelling and associated thermal weakening provides a control on the relative importance of strike slip dominated versus pure extension dominate back-arc deformation.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
With the ever growing efficiency of computational techniques and continuously improving computing capacity, a large number of numerical modeling studies have been carried out to improve our general understanding of the dynamics of the Earth. The proposed project will fit well into these recent international research trends. Moreover, it will also open up new channels of international collaboration between Eötvös Loránd University, the University of Bergen and the Università Roma TRE.
The proposed project is a continuation of ongoing research directions on: a) rifted margins and extension-tectonics and orogen dynamics performed by Ritske S. Huismans from the University of Bergen: b) on subduction processes performed by Claudio Faccenna from the Università Roma TRE and c) on the relationship of mountain building and crustal inheritance, performed by Zoltán Erdős from the Eötvös Loránd University. If funded, the project will connect two well established international research-groups with Eötvös Loránd University, an institution with long history in studying geodynamic processes as well as the Pannonian Basin and its surroundings.
The research will greatly profit from the different expertise of the collaborating members, enhancing the prospect of high-quality results and publications.
The explicit aim of the project is to improve our understanding of the evolution of not just the Pannonian Basin and its surroundings, and potentially a number of other Mediterranean style back-arc basins as well as a string of Circum-Pacific basins. Since these basins often show increased hydrocarbon as well as geothermal potential, the better understanding of their evolution is highly beneficial for industry and society likewise.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In this project, we propose to use computer simulations, to study the formation of the Pannonian Basin and its surroundings.
On geological timescales, solid materials can be seen as very thick fluids (just like tar). We use this property of the Earth materials to create a mathematical and physical model of the deformations occurring in the crust. With the interpretation of geological and geophysical data (such as surface mapping and earthquake records) and model experiments, it long has been established that crustal plates can move relative to each other or even break up. When two plates collide, one dives underneath the other creating a subduction zone. Behind such a subduction zone the crust often gets stretched and thinned out. It is generally accepted, that the Pannonian Basin was formed this way, when a small oceanic plate dived under and disappeared along the Carpathians.
The physical processes playing a role in the thinning of the crust behind a subduction zone have been studied for decades, but debates and questions in the topic still persist, as the direct observation of the physical circumstances so deep within the Earth is practically impossible, rendering the evaluation of models difficult.
In this project, we will study three different, but closely related aspects of the interaction of subduction and crustal thinning behind it, with a special focus on the Pannonian Basin. Similar thinned regions of the Earth have generally shown high hydrocarbon and geothermal potential, while areas surrounding subduction zones recognized for having increased seismic hazard, hence the improved understanding of these processes is of great benefit to the society.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
