Top Banner
From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer DISS. ETH NO. 23337 2016
174

From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Apr 03, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

From early Earth plume-lidtectonics to present-day plate

tectonics: A high-resolution 3Dnumerical modelling approach

Ria Fischer

DISS. ETH NO. 23337

2016

Page 2: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Artist‘s impression of exoplanet 55 Cancri e.Credit: ESA/Hubble (M. Kornmesser)

Page 3: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����� ��� �� ����

���� ����� ��� �� ������������� � ���������� ������������ � ���������� ��� ��� ������� ��������� ��������

������ ��������� � ������ ��� ������ �

������ �� ����� �� � � ������

���� ��� ��� �������

��������� ��

��� ������

!� ��� ����� !�" ��� ������" !#��$��%���

��� � &&�� '�%� &()*

����$�� � +,����#�% �� - !#��$��%���

�������� � ��� ������������ �

.��� ��� ����� /����" �0������

.��� ��� .��% ���1%��" �-�0������

��� '���� 2�� �����" �-�0������

3&4

Page 4: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer
Page 5: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Contents

List of figures vi

List of tables vii

Abstract ix

Kurzfassung xi

1 Introduction 1��� ��� ���� ��� � ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��� ������� �� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

����� ���� ��� �� �� �� ����� �� �� ����� ���� � � � � � � � � � � � � � �

����� � ������������ ���� ���� � ��� ������ ��� �� � � � � � � � � � � �

����� ��� ������� �� ��� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

����� ���� � �� � ��! ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � "

����� ���# ��� !��� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � $

����% � �� & ��� ����� #���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '

��� ���� � ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �(

2 Numerical techniques 17��� )��*+)� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �"

��� ,�#��� �� �����#� �� �-�� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �$

��� )� �� ��� �������� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �'

��� .����� �� �� ���� �� ��� ��� ���� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �(

��� .����� �� �� ������� ��/ ����� �� ��� !��� ������� � � � � � � � � � � �(

��% .����� �� �� ��� �� ��� ����� ���!� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

��" 0��� � ������ ��� � ����� ���� ��� ��� ����� ����� �� � � � � � � � ��

��$ 1������ �� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

��' 2����# � ��� ��� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �$

3 Regimes of subduction and lithospheric dynamics in the Precambrian 33��� )����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

��� .����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �%

����� .���� ��� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �%

����� +�� � ��� � �� ����� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

������� 0�#������� �� �� ����� ������� ��� �� ���� � ���� � � ��

������� 1������� ����� ��� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

����� ���� �� ����� �� ��� ���� �������� �� � � � � � � � � � � � � � ��

��� 1����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

����� 1������� ����� ��� ���������� ����� �� 3ΔTp = 0K4 � � � � � � � ��

Page 6: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����� ������� � � ���� ������ � ������ ���� ���� �� ΔTp � � � � � � � � ��

������� � �� ���� �� ��� ����� ���� ����� � ��� ��������� �� � ��

����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

������� � �� ���� �� �� � ������� �� ��� ���� � � � � � � � � � � � ��

������� � �� ���� �� ������� �� ������� � ��� ����� ��

����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

������� � �� ���� �� ������� �� ������� � ��� ��� � ����� ��

������� � �� ���� �� � �� � � ����� � � � � � � � � � � � � � � �!

������� "�� ������� ���#��� ����$��%�� �� ���������� � ����

������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �&

������! � �� ���� �� ����� �� ������� � ��#�� ����� ���� � ��

������& � �� ��� �� ������� � ��� ���� � ��� ���� �� � ����

���������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

������' � �� ���� �� ��� � ���� �# � ����� � � � � � � � � � � � � � � ��

��� (������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

����� )���� �� ������� � �������� �� ���������� ��� ��� �� ��$

���� � �%��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

������� "����� �* +������$� � �������� ΔTp = 0K � � � � � � � � � ��

������� "����� ��* (������� �������� ΔTp = 50− 100K � � � � � � ��

������� "����� ���* ,� ������ � ��� ΔTp = 150− 200K � � � � � � ��

������� "����� ��* +����$��� ������ ΔTp > 200K � � � � � � � � � ��

����� -�� ��� ������ ���� �� �� �� �������� � � � � � � � � � � � � � � � � �!

����� .���/����� � #���$���� � � ����$������� � �� ���� � � � � � � � �&

����� 0�� ��� � �� �� �� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �'

����� 1� � ��� $2 �� ����� ��� � �� �#�#������� � � � � � � � � � � � �'

����� 0 ��� ���������� ��� �������� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � !�

����! ,�� ���� � �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � !�

����& 1���� ����������� �� ���� ����� ���� � � � � � � � � � � � � � � � !�

��� .������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � !�

1��������� �� � ���� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � !�

4 Early Earth plume-lid tectonics 91��� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '�

��� 3����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '�

����� 3��� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '�

����� "������� ���� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '!

��� "������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ''

����� "������� ���� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ''

����� ������� � ������� �4���� χvolc � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���

����� ������� � ����� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���

����� ������� � ����$������ #� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���

����� ������� � � ����� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���

Page 7: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

��� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

���� � �� ��� ���������� ���������� ����� � �������� � ���������

����� � �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

����� ����� � ��������� ���� ����� ��� � �������� ��� ��� � ��� � � � �

���� !������� ������� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

����� � ��� �������� � ����� � ������������ ���"�� � � � � � � � � � � �#

����$ %&��������� '�� ���� ��� �' &&(������ � � � � � � � � � � � � � � � ��

����) ����*����� '�� ��������� ���� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

��$ �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

+�������� �� � ���� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �$

5 Evolution of TTG source regions in plume-lid tectonics 133$� ,��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

$�� ������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

$� -������ � ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � )

$� � .�������� �' � /� ���� ��� � ��� � ���� � &&( ������ ������ � )

$� �� ����������� �' &&( ������ ������ ��� ������� %&�"���"� � � � � 0

$� � ,������� ��� �' &&( ������ ����� ���������� "��� ��� �� �� ����

�� ��� ����� ���������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

$�� �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

6 Conclusion and outlook 145)� � � ���������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �$

)�� 1�� � �' '����� ���� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �0

)��� ,������� ��� �' '����� ����� '��� ��� � , 2!3,+ � � � � � � � � � � �0

)���� .������ ,,4 -�'������� ��� �' �������� � ��� �� ��� �� ��� �'

�������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

)��� .������ ,,,4 !������� ���� � ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � $#

Acknowledgements 153

Curriculum Vitae 155

Page 8: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer
Page 9: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

List of Figures��� ������ ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��� ������ � ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��� MgO�������������� ����������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��� ����������� � ������ ��� ������ ���� � � � � � � � � � � � � � � � � �

��� ������������� ������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��� !��" ���� � #�$%&#' ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �(

��� �� �������� ��� ������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �)

��� �*������� ������� � ��� ��� ���� ����� ���� � � � � � � � � � � � � � � ��

��� +�� *��" � ��� ���������� ����� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � �(

��� #������ ���������� ����� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �)

��� #������ ���� ������ ���������� �� ��� ���������� ����� � � � � � � � �,

��� +�������� ��-��� � ��� ���������� ������ ������ � � � � � � � � ��

��� $*������� � ��� ����� �� .������ �����/ � � � � � � � � � � � � � � � �

�� $*������� � ��� ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �(

��( $*������� � ��� ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �)

��) $*������� � ��� ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �,

��, 0���*������ � ����� ����� �� ��1���� ΔTp � � � � � � � � � � � � � � �2

���2 &������� � ��� ���� ������ "��� ��������� ΔTp � � � � � � � � � � � ��

���� &������� � ��� *������� "��� ��������� ΔTp � � � � � � � � � � � � � � ��

���� &������� � ��������� ���� ��� ������ "���� "��� ��������� ΔTp ��

���� ��*�������� � ���� *����� "��� ���� �� ��1���� ΔTp � � � � � � � � � �)

���� &����� � ��"� ���� ���� "��� ���� �� ��1���� ΔTp � � � � � � � � �,

���� $*������� � ��� �����*� ����� "��� ��������� ΔTp � � � � � � � � � � �

��� 3����� 4�" ������� � ��1���� ΔTp � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

���( $1����*� *������� ��-��� � ����������� ��� ������� ���������� � � � (

���) '���� � ��� ������� ������ �� ��1���� ΔTp � � � � � � � � � � � (2

���, '����� � 5�������� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � (�

��'� $*������� � ������� � ����� �� .������ �����/ � � � � � � � � � � (�

��'� $*������� � ������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � (

��'� $*������� � ������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ((

��'� $*������� � ������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ()

��'� $*������� � ��� ����� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � (,

��' $*������� � ������� � ����� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � )2

��'( $*������� � �������� � ����� �� .������ �����/ � � � � � � � � )�

��') $*������� � �������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � )�

��', $*������� � �������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � )�

��'�2 $*������� � �������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � )�

��'�� 3��� *����� ������ � ����� ��� � ��� � � � � � � � � � � � � � � � � )�

��'�� 3��� *����� ������ � 4��� ��� � ��� � � � � � � � � � � � � � � � � )�

*

Page 10: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

��� ������ �� ��� � ������� ��� � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����� �������� �� �� ��� ����� �� � � �� ��� � � � � � � � � � � � � � � ������ �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������ �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������ �������� �� �� ��� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����� �������� �� �� ��� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��!��� "�������#$ � � ����� ��� � ����# ������� �� �� ��� ����� � � � �����! %�������� & �' � ��� � '��� ��� '������ � ������� � ' �( ���) ������ �������� �� �� ��� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������� �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������� �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� ���� �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������� *��� ���� ����� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������� ++,������ � )���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���

��� -+����������� ��� ++, ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������ "��� �� �����# ��� � �#���� � &���� ��� ++, ����� � )���� � � ��!��� .���( � �� ���) � �� /-0*-01- ++, ����� � )���� � � � � � � � � ������ .���( � �� ���) � �� ++, ����� � )���� ��� � � � �� ��� � � � � � ���

�� �� � ������� �� � ��� ����� ��������� �� ���1"�. � � � � � � � � � � � ��! �� *��� � � ���������� &# ��)�� �����) � � � � � � � � � � � � � � � � � ���

Page 11: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

List of Tables��� �������� � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

��� ����� ���������� �������� � ���� � ����� ��� �������� ������ � ��

��� ��� �� �� �������� ������ �� ������ �� �� �� � � � � � � � � � � � � � ��

���� ��� ��� �� �� �������� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � !�

��� ����� ���������� �������� � ���� � ����� ��� �����"�� ����� ��

������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � #�

��� ��� �� �� �����"�� ����� �� ������ �� ������ � � � � � � � � � � � � � � ##

���� ����� ���������� �������� � ���� � ����� ��� ���� ��� �����"

�� ����� �� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��$

Page 12: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer
Page 13: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Abstract

���� ������ � �� ��� �� ���� � ���� ����� �� � �� ����� �� ��� �� �� ���

��� ��� � ��� �������� � ��� �� ���� ���� �������� �� � ���� � � ����

�� ������� ��� �� ������� � ���� �� ���� � ������ �� � ������� �������

������� � �� ����� ����� ����� � ���� ��������� ��� � ������ ��� �

�� ��� � �� ����� ��� � ������ ������ ���� ��� ������ ��������� �������

� �� ��� �� � �� !��������� ��� � ������ ��� �� ������� ��� � ����������� ����

����"�� �� � �� � #������ �� ������ � ������ ���� ����� � � �� ����� �

� ������ ��� � ������ �� � � ��� ����� � �������� � ���� ������ ��

����������� � !��������� �� �������� $�� � ��� ����� �� ��� �� �%�� �

��� � ������ � �� ��� �� �����

%� �� � ��� �� ���� #��� �� ���� ��� � � �� ���� ������ ��� &'( �� ����

��� �������� ��� ������ ����� ���� � ������ �� &)( �� ���� ���� �� ��

���� � �� ����� &*������( ��� ��� &+( �� ��� ��� �������� � �� � ��� �

� � ����� � ����� ����� � ������ ���� �� ��� #��� �� �� � ���� �

����� � +, ������� �� � ��� � ��������� ��������� �������� � ������ ������

����� ��� "�� � ��� ����� ������� � ������ � ���� �� � ������ ��� ���

� ������ � �� �� � � ����� ���� ������ � ����� �� ���� � ������ �����

� � ��� ����� � ����� � ���� ��������� Tp &ΔTp = 0 − 250K� � ������

���������� � �� ��(� * ��� �� � ��� ����� ������� � �������� ���� �� �

������� � ���� �� �� ��� ������ ������� �� ���� ��� ����� � ���� �

��� �� � ������� �������� ������ ����� ��� -���� � ���� ���������

� �� � ��� ����� � ΔTp = 250K ��� ������ � �� � � � ����� � � �����

�� ���������� .����� �� � �� ������ � ���� ��� �� � ����� ����� � � ��

������ ������� / � ΔTp = 0 − 50K �������� ��������� � ����� �� � �����

���� ������ �� / � ΔTp = 50 − 100K � ����� � ������ ������ � �������

���� � ��� ���� ����� ���������� ������ � �� � ����������� �� ���#���

������ �� � �� ���� � ��� � � �� � � ������� � �� ����� �������� � �� �� �����

���� ������ ������ ������ � ��� ��� �� ������ �� * ������ ��������

ΔTp = 150 − 200K ������ ������ � � ������� ����� �� ������� ������

�� ������ ���� � ����� ��� � ���� ��� ������ / � ΔTp > 200K �� � ���

�� ������ � � � � ���� � ����� ��� � ��� �� �� � � ����� �� ����� �� � �

������ �������� ������ ����� �� ������ ��� � ��� �� ��� ���� � ���

��"��� �� ���������� ������ �� �� "��� ����� �� �� ���� ����������� �

�������� �� ���� 0� � ������ �� �� ���� ����� � �� � �������� �� ����

Page 14: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

��������

������� ������� �� � ��� �� ��� ������� ��� �� ��� � �� ����� ��� ���� ����

��������� � �� ��� ����� �� �� ���� ��������� ������ ����� ��� ���� ��� ��

���������

���� � ���� �� �������� �� � ���� �� ��� ��� ������ �� ������ ��� ���� ��

���� ���� ��� ������ �80 − 100Myr� ��� ���� ���� !�� "���� � �����# ����� ��

������ � ���� � �� ��� ��� �� ��������$ �������� � �%� � ���� �∼ 20Myr� ���

�� �� ������ "������� �����# ����� �� ���� ��� � �� �� ��� ��� ��� �� �� ��������

��� ������� � ������ �� �������� ��� �� �� �������� ���� &� �������� ������� ��

�� ���� '�� � �������� �� ���� ������ �������� � �� ��� �� �������� ���� � ���

������� ���� ������ �������� ���� �� �� � � ��������� �� ∼ 100Myr�

(� ��� �� ����� ������� �� �� �������� �� ����� ������ ����� � � ��������� ����

������� �� �� �� ��� �� �� ����� ��� �� ��)���� ��� �� ��*�� &� ���� �������� ��

�� �� ��� ����� ������� �� ����$ ������ ��� ������������ ��*� ��������� � ����

+������� ����$ ������� ���� ���� � ��� ���� ��� �� ��� �� ����� ��� � ���� �

�� �� �� ����� ����� ������� ����� �� ��*� ����� ���� ����� �� ���� ��

���� ��� ����� ��� ������ ���� �� ����� ������� ����� �� ���� �� ���� ����

����� � �� ��� ������ &� �������� ������� �� ��*� ��� ������� �� � ��������

�� ����� �� � ����� ���� �� ������ ��� �� ����� �� ∼ 100Myr�

,

Page 15: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Kurzfassung

���� ������� ��� � ��������� �� ������������ �� �� �� ����������� �����

�� �� �� � ��� ���������� ������ ���������� ���� !���������� ��� �� �"

������ �� #���� �� � �� ���� ��� $���� �� �� % ���� � %�����"

��������� ����������� �� ������������ ������ ����� ������ �� ��� �! ���� �&���

���������� '������� ��� �� ���� � �� �� (�� )������� �� � !���� � � ����

����� ������������ ���������� *��+������������ ��� ������ �� ��� �$���������

���� !� � %������� !������ ,�������(� ��� $������� '� �������������"

�� !� �� -�������� (�� .����������� �� ���� ������ %����� (�� ����� �����

� ����� ���� (������� /���� ��� ���!��� ������ ��� � ���������� ��� $�"

���� '� �&���� ����� ��� ����0 �-�������� �� '� �������� ��� � ��������� ��

�������������

��� �� ����� 1��������� � ���2����� �!����!���� 3��� ����4�� 567 ��

����8 ����� �� '��������� ��� ������ �� � ������� ����������� � ��� ��"

����8 597 �� (�������� �� ������������ ���� �� � !���� 5���������7 � � ��

5:7 �� ��������� /��������� �� �� '��������� �� .�� ��� (�� #���������� ��

!�������� #����� 1� .��������� ���� 3��� ���� �� ���� ����� (�� �����!"

�&��� ����������"���������������� ���������� :�"'� ����� �����!���� ���

���� '� ������� ������ ��� ��� ����������� ��� ���������� ����"/� �� ��������

!� �� ��� ������ ���� ���������� %���� ���� ����� ���(�� #���������� ���

���� ������ %����� (�� ����������� '������� ����� Tp 5ΔTp = 0−250K8 �� ��"

������ �� �������7� ���� ������ '� ������� ��������� ��� %����";� "���� ����

�<���� #!���������� !� ��� ���� ���������� ��!��� ��������8 �� �� .��"

��� (�� '�������(������ �� �������"��������� %����";����� ������������

!���� ��� ���������� '������� ��� ��� �! ����� ����� =�� (�� ΔTp = 250K 2"

<��� �� ���� ����� �� �� (������ ���� '� ����� �� 1������������� � #����

(����� /������� �� ��� ����������� � �&���� ��� �� (�� ��������� ����� /���"

��� ��������� �� ��� 3� ΔTp = 0 − 50K ���� ����� �� ���������� '� ���� �

�� ���� ��� ������� 3� ΔTp = 50− 100K ��� �� ���� ��� /����� � ���� !����"

��� ������ ��8 � ���� ���� ���� >���������� �!����� ��� � �� ���� ��� ��"

����8 �� ��� ������������ �� ��� ���2��� ���� !�� (�� � ���� ���� �� �����

������ � .�� ������ �� ����8 �� ����� ����� 1��������� �������� ���� "

!������� ������ �� � ��� ����� ��� ������ �������� .�� ����� ������� ������� �

'������� ��� ΔTp = 150 − 200K ���� ���� !������� ������ ��� �������

��� ��������8 ��� !�� � ;����� ��� �!8 �� ��� �� ?����������� ����������

<�

Page 16: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������

����� ��� ΔTp > 200K ��� ����� � ��������� ���� ���� ������� � � ��

��� ������� ��������� �� ������ ����� � ����� ��� ��� ������������ ���

����������� �!���������� �������� ����� "����� ��� #�� �������� ���

��� ��� �� ��������� ��� ��� �������� $���� ��� � ���$�� %����� ����� &����

���� ��� ��� ����������'������� (�� ������ �� ���� � '������� ����� ���

����������'������� ��� ��$� ��� ��������� �� $� ��� #�� �� ������������ ��

���������� ��� ����� ��������� ����� �� )� ��� �! � ��� ��� �������� ���

��� ��� ��� *����� ��� $�� ��� �� ����+�� ��� %����� ,���

%� ����� �� �������������� $���� $��� ���� �!���� �� � ��� ���� ����

-�� �����������������. /01 ��� �!���� /80 − 100Myr1 �� ������ ������

2(�� ��� � �3� ��� ����$������ � � ����� (�� ��� �� -�� �� �� ����� �!�

��� 4������ �� /51 ���� ���$��� /∼ 20Myr1 �� �� ��� ��� 2#������ � �3

�� � ����� '���� ��� -�� �� �� ��� ��������� �!�� ����� �������� ��� #���� ���

�� �� !��� )������� ������ ������ )� ��� ������ ���� � � %�����

��� ����������'������ � ��� ����� ���� �� �� ��� �� � � ��� ���� (�� ���

������� �� � � ��� ���� #������ $����� �!�,� ��� � � ��� ��� -� �� /2� � ����

�������31 ���� ��� ���� �������$��!� �� ∼ 100Myr�

(������������ ����������� #�+ � ��� ����������'�������������� ����� ���

����� �������� ��$������ ��� ������� $�� 6����� ��� �������� '+ � �� ''4

���� (�� ��� ��� ��������� 7����������� �� 8�������� ������� �� 9���������

''4 �� ������ ���� �'�6������� �+ ����� ���� ��� #��� � �,�

���� �+���� ����� ������$� � 7����� �������� %� ����� ��� ����������� �������

�+ � ��� � ������� � ''4 ������������ �!��� ��� -� �� � � ��������

����� �� ���$������� ��� 7���������� ����� �� ����� ��� ��� (�� ������

�� ���� � ''4 � ���� ����������'����������� �!���� ��� -� �� � �

�� � ��� � �� ∼ 100Myr �������� ������

:��

Page 17: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Chapter 1

Introduction

1.1 The plate tectonics system

Page 18: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer
Page 19: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

������ ��� ���� �� � � ���� �� ��� ������ �� �� ���� ������ ���� � �� �� ������

��� ����� � ��� ������ ����� ��� ���� ������ ���� ��� �� ��� ����� � �� � �

��� ����� �� �� ������ ���� ��� �� ��� ����� � ��� ������� ��� ��� ���� ����

���� �� � ���� ��� ���� ��������� ��� ���� �� ������ �� �� ������

����������� � ����� ��������� �� ��� �� ��� �! ����� �� � ������� ����� �����

������� �� ∼ 260Ma� "��� � �� ����������� � ����� �� ����� ������� � �� � � #

��� ��� �� ��� ��� ������ �� ���� ��� $ ����� ������ � � ��� ���% ������ �� ��

��� ���������� � � �� �� ������� ���� ������& '��� � ��� '���� � ������ ��

2.7−2.4Ga� (�� �� 2.1−1.7Ga� )�� � � �� 1.3−0.95Ga� *������� �� 0.7−0.5Ga

��� ������ �� 0.35− 0.18Ga� �(���� �� ���� �+,,� �-�./ "����� �� ���� �-�0��

1.2 Precambrian tectonics

��� ������ �������$� � ��� �541− 0Ma� ���� �� � ���� �� �� � ������� �����

��� �� ��� � �� ���� �� � �� ��� "���� �� �!��� ��� 1 �� �� ������� ������ � ���

�������� �� ��� �4.6−0.5Ga� �� �� ���������� ��� �������� �� ������ � � ���

��� 2����� �4.6− 4.0Ga�� 3������ �4.0− 2.5Ga� ��� �������$� � �2.5− 0.5Ga��

1.2.1 Short outline of the formation of planet Earth

4���� �� ������ ���� ������ �� �� �� ���� ��� � ����� � ��� ���� ������

* ��� ����� ������ ���� ��� ����#���� �� ����� �"���� �--.�� ����� � ��������

����� �� ������ �� ��� ����� 4���� �5����� �� ���� �--6�� 3������ �������� ����

���� �� ��� � � ���� � ���� ���������� �� � ��� ���� � ������� �� ��� 7� �� ���

8 �������� �� ���� �+9./ 5����� �� ���� �--6�� ��� ������ �� ���� ��� ���� ����#

������ � :����� �� �� ��� ������� �� �� �� ��� ���� ���� ������ ������ ���� ����

�5����� �� ���� �--6�� ��� ����#���� �� � ��� ����� ��� �� � ��� �� �� ���� ������

������ ��� ����� ����� �5����� �� ���� �--6/ 4�% �#������� �-���� 2������� ���

����� ����� �� ���� ������� ������ �� ������� � �� 4.4Ga �4�% �#������� �-����

� �� ������ ���� ��� ��� ����� ����� ���� ������� �� ��� �� �� �� ���� ��

����� �� ���� �� ��� ��� �� ������ ��� ��� ������ �� � �� ��� ������ �� �������

�� �� � ���� ������ 3� ��� �� �� �� �� ������ ���� �� ���� �� ������ ���

����� ������ � �� ���� � � �����

0

Page 20: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

1.2.2 Time-temperature relationship and secular cooling

�� ��� ������� ���� � �������� �� � ������� �� ��� ������� ���� ������ ����������� ��

������ �� ��� ���� � �������� ����������� Tp� ���� ����� ���� ����������� ��� �� ��

�� � ��������� � ��������� ��� ���������� �� �������� ����� ��� �� �����

��!��"�� ��� ��# �� $%&& ��� �� ����� �� � ��'��� 1280 − 1400 ◦C �(��"���

�� � �� )**+� ��� ��������� ������� � �� � ��� �� ��� ���� � ��'� ��� ��� �� (�'���

�� �� ��� ��� ���� � �������� ����������� �� ���� � � �������� � 200 − 300 ◦C�(��"��� �� � �� )**+� ��� ��������� ������� � �� ��� �� ���� � �� ��������� ��'���

MgO ������ ��� ���� � �������� ����������� �,����� ������� ���� '��� ���������

MgO ������� Tp �� ��������� �� '� �(��"��� �� � �� )**+� )*$* � ������ ����

���� ������� 10− 13% �� MgO� '������ ��� ���� ��� � ����� ��� �� �������� ����

������ ���� � ���' � ������ MgO ������ �� 18− 19% (��"��� �� � � �)*$* �

Age (Myr)

MgO

(wt%

)

1,400

1,500

1,600

Tp (°C)

10

15

20

25 MORBNeoproterozoicMesoproterozoicPalaeoproterozoicNeoarchaeanMesoarchaeanPalaeoarchaean

0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500

������ �� MgO��������������� ������ ���� ����� �� ��� �� �� ��� ���� ���� ���� �� ���������� ��� ������

�� �'��� ���� ��� �� ������� ��� �������� ��� �� ��������� ��'��� MgO ������ ���

��� ����� �� ���� $�-� � ��,���� Tp = 1500 − 1600 ◦C �� ����� �� ∼ 3Ga �(��"���

�� � �� )*$*. /������ �� � �� )*$0 ��� 1����� ������ ���� �� (�'����� ���� 1�����

� ������ ���� #��'� �� #��������� �� ���� �� MgO ������ �� 27 − 30% ��2����

��� � �������� ����������� �� 1700 − 1900 ◦C �(��"��� �� � �� )**+ � �� �� �� ���

'������ ������ 1����� ���� � ����������� ���� ������ ��� ���� ������������ ��

#��������� '��� ������ �� ���� � � ���� '��� �� �,��� ����������� �� �� �� ∼ 250 ◦C�(��"��� �� � �� )**+. /������ �� � �� )**+ �

0

Page 21: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Tp 3.0Ga

1.2.3 The Precambrian rock record

Page 22: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer
Page 23: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

��������� �� � ��� ��� �� �������� �� ��� ������ ���� ���� � ���� ����� �����

� ���� ����� ���� ��� � ���� !"��#� � ������� �� ��$� �������� �� ��� �� �����

���� ����� � ����� ����������� %�� ������ �� ������� ���&���& �&����� �'������

� ��� ����(#� ��� )���� ��* �!"���# �� ���� ��+#� � ������� ������ �� ���

��� %�� ������� ���� ��,��%� ���� %�� �� ��� �����& �� � -���

.������ ����� ��� � ���� !"��#� � ������ �� ��� ������ �� ��� ��������� �/���

����& ���� �������� �� ��� ����� � �� �� �� ��������& �� �� ���� ���� ��

� ��� ������ ������ ���������� ���(#�

0&��� �1��� � �� �� �� �� �& ���� � �� ������ �� ����� .���������

��������� ��� 2���� �� �� �� ������ ��� .��������� -��� �� ��� �������

���� %�� ������� �� �����, �� ���� ���� ��� )���� ��*� !"�"� ������ �� 34 �� �

!"��� !"�+#� �� ������ ���� ��� � �%� ������ �� �����&�� ������� �� ����

%���� �%&�� ���� �� ����& ��� ���� � ��� ������ �������� ��� ���� �

��� ������� �������� � �� ��� ����� ������ �� � ��� �3��� �� 5����

!""6#� ������� ������ �������� �� ���* �� �� ����� �� ����� �� ����*���

������ �� ��&� ������ ������ !"���� �� ������ ����#� � ������ ����

�� ��� �� ������ �� ���� �� ����� ����� �� ��� � ����� 2������

���� �� �&����� &��� ���� ��� � ���� �� ���� �������� ��� % ����& ��

����� �� �0���� � ���� ����� 7����� �� ���*��� !"�!#�

� ������� �� ����,�� �� ��������� ����,�� ��������� �� ���� ��&�* ���

� .���������� 8� ��� ���� ������� ��������� �� ����� �� ������� �� ���

��� �� �� ���� �������� �� ��� ��9�� ��&��� ����� � ���� ���� ���� �&�� ����

�� 5���� !"�!#� ��� �� ����� ����� �� &������ ��� ����& ����� �� �������

��%������ �� �%�%������� � 7���� ����,�� �������� ���� %�� �����

�� ��� )���� ��* �!"���#� %� ������� � .��������� �� ������ ���� �����

3Ga# %�� ����� ����� ����� �� ���� ���� ����� ���&������ '��������� ����� ��

���� �� &�������� �&� ��%����� ����� �� �� ����������� �&� �%�%����� �����

���� )���� ��*� !"���#�

1.2.4 Necessity of a new paradigm

���� ��� �����, �� �� ����� ��� �� �� ������� % ������� �� �� ����� ���,

���� �� � ��� 0.5 − 1Ga ������ !"���� �� ������ ����#� ��� �� � ���,

6

Page 24: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

������ �� ����� � ���� � � �������� �������� ���� �� � � ������ ��� �� ����

� �� � ������ � � ������ ������ ������� �� �� ��� ���������� ��������� ��

����� �������� ����� �� ���� ���� � ! � ������� �������� "���� ��� ���� �� � �

#�������� ��� � ��� ��� ���� ����� ���� � "���������� � �� �����$� � � ���

�� %"���������� ���������� ��������� ������ � �� � � ���������� �� �����������

�������� ��� � ���� ���� �� ��������� �� ��� �� �"� � �" "���������� ��

#�������� ���������� �&���� ��'(� � )����� ��� *! � ����� � � � ��� �� � �

���+ ��� ��"��� � ������ �� � �� *)��"����� ��� ��������� � � � ��� �� � � ���+�

)� � � �����,�� � � � �� %"����� � �� �� ��� ������ ������� �� �' � � �������

���� ��� ���� ��� �"� � ����������� �� "��"������ �� � � ���������� ��������

���� �� � � ���� ��� ��� -�� ��� �. � � ������ ��� ��� ���� �� � � �������� ��

��������� � ����� �"�� !� ���� � �� �������� %"������ �"������ ����������

����� �"�� �� "�� �� �������� �� ������� ���"�� ���� ����� /��� �� ���� '00(1 ���

�"��� ��� ��� ��� ���� ���21 3�4��� �� ���� ��'�� ��'(� ��'51 &���� ��'(�1 &���

�� ���� ��'51 6�� � ��� &���� "������� �� �"������������ ��� ������� � ���� �

1.2.5 Previous work done

7����� � � ���� � �� #�������� �"��� ���������� ����� �� ��������� � ���8

����� �� � ��8���������� �� ������"���� �9 ���� �� ���� ���01 #�� "� ���

&���� ��''1 6��:�� �� ���� ��'( � �� .7 �"������ ��������� �"��� �� #��������

"��"����� ��� ���� ����� �"� �� ����� #����" �"��� ���"�� �� �7 �"���8

��� ����� �� #�������� "��"������ /�� �"��� ��� ��� ��� ��� ����2 ��"��

�� �����"�� � �� �� ������ �� 200 − 300K �� � � ������ ��������� �������"� Tp

���� �� ������� "��"����� ����"���� �� ��%"��� ��� ����8�;� 3�4��� �� ��� ���'�

��� ���� �� �������� ����� ���������� ����� ������ ��������� �� ������ �����8

���� �������"�� ! �� ��"�� � �������� ��� <��8"��"�����= �� <��8"��"�����=

�� � ������ 200 − 250K ����� � �� <��8"��"�����= � � �������� �� �����

"���� "���� ��� ���8���� ��� �� ��� ������������ � ����� �������� ���

<��8"��"�����= �� �����8��� "��"����� �� ��"�� �� 160− 175K ������� ������

��������� �������"��

>� ��� �� ��� ���'( ��� 3�4��� �� ��� ���'5 �������� #�������� ��"��8��� ��������

�� �7� � �� � �� ���� � �� ������"�� ������� ��� ������� �� ���8� ������� �"�

2

Page 25: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

����� ������ ������� �� �������� ���� ��������� ���� ��� � ��� ���� ��

���� ��� �� ��� ���� � �� ������� �� �� ������ �� �� �� �� ���� � ���

���� ����� ����� ������ ������� � ��������� ��� ��� ������ ����� ��

���� ������������ �� �� ����� �� ��!�� "������ �� ��!����!� �� �������� ��

�� ������� �!��� �

1.2.6 Scientific and economic value

��� #�� ��� ������� �!�� ����$� ����� �� �� %&� ��� ������� ��' �� ���

���� (���)*� �� � ���� ��"����� �� ��� � ��� �������� �������� ���

� ������ �� ������ ���� �!�� � �� ��� + �� � ,� %-� ���� #�� ��� ��

������� "����* �� ��� �, � ������� �� ��� �� ��.� �� �� ����/�� ��� ����

"�� ����� ���� � ��' � ���� �� � � ��� ��� ��� ���� ��!� ������� ���

#�� ���� %0�� �""���� ������ (���1 2��' ��1)*� � � �� � ���� ��� ��� �

��� 3��� � ��� ��� � �� ����� ���� ���� �!��� ���� ����� ���"������ ����

�� ��� ���� ��� #�� ���� %0�� �� (��� �!� "��� ������� �� �������� )*

��� � ���' ��� �� �� ����� ������ �� �� ���� "�' ��� %&� �� (���1

������� ��'� �� �� �� �� ��� ��� �����)*�

��� ��' � �!�� ���'��� � �� � ����������� � ��� #�� ��� � %&� ��� ���� �����)*�

��� ���� � ����� � ������� ��� ����4����� ��� �� �������� ��#����

������� '������� � ��� ������ ������� ������ �� ������ ������� �0� ���

�� 5����� ��,67 5��� �� ��� ��,6��

8�� � ������ "�� "����!�� .�������� ��' ����� ��� !����� �� ���� �

����� ��� ���� �� ������ � �������� � 2��� ���� 1 �� �� � � � 9�4:�4

.�34��4 ��"���� ������ ��� ��,+�� ����� ���� �� ����� ���� �� ���� �

� ������ ����� ������ � ��� �������� �� ������ "��� � ������ ����

���� ����� � ��� "� "��� � ;����� ��� � ��"���� �� ���� �

<

Page 26: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

1.3 Thesis structure

Chapter 2 – Numerical techniques

������� � ���� � ��� ��������� ��� ������� �� �� ��� ���� � ���� � ���

���������� ������������ ����������

Chapter 3 – Regimes of subduction and lithospheric dynamics in thePrecambrian

������� � ���� � ������ �� � � ������ ���� ���� �� �� � � ���� �� ������

������ ��������� ����������� ����� �������� �� ������� ���� �� ��� �����! ��"

�����

Chapter 4 – Early Earth plume-lid tectonics

������� # ����� �� ��� �������� ��"��� �� ����� �� ������ �� ��� ����� �����$

�����"�� ��������� %�&����� ������ ���������� �� '������ �������� ���������

��� �(����� ���� ��� ��� ������ �� �����"�� ���������

Chapter 5 – Evolution of TTG source regions in plume-lid tectonics

������� ) ���� ��� ��������� �� ����� �&����� ���� �� **+ ����� ������ ����

����� �� ,*"�������� �� ���� �� ��� �� ����-����� ��� ��� ��������� �� ����".

�����" �� ���"������ **+�

Chapter 6 – Conclusion and outlook

������� / ��� ��� ��������� �� ���'�� �� ��������

01

Page 27: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

References

�� �� �������� �������� �������� ���� ��� �������� ������� ���� � � �������

������� �� ����� ��� � �������� ��������� !� !����

"� ��#��� ��� $� %� &�����'� (�#����� ��� ����#����#���� #� #���� ��� ��������

�������� �) *��+ #����� ��� �����,����� &��-��#������� #����� ������� ��

���������� ��������� ����� �� ���./�!0�/�!�� � !��!�

1� 2���� %�-�� "�������� ��� 1� �� ������� 3����������� ������� 4���'��#�� ���

/������#���� 3� ������ ���������� ��� ��������� �� ,� � ��5� �#������

4��,�'���� 6����� !����

7� 2������� %� 7� 1����#� *� �� %������ ��� "� /� *��������� &�� ������� (����

2��#��� ��#,��8� $��� 3� �� ������� ��,��� ' ��� ���������� ������ �����

��� ������� �� ��� � �������� �.�0���� ����9� �999�

:� 2���� ��� 7� 2� "����� :'��#�� ��� &���#�� ;����' �) ��� &��������� $������

��� "���� ��� 3�� 3� (� 4������ ������� ���� �� �� ���������� ,� � !99� ���

/������� �#�����#� !����

�� "� ���,� <�� �� �) &��������� $����� ��� ��� /�����"��� ('��#� ������

������ 5�.�0�5���!� !����

$� ������� �� ;���������� ��� 2� :��#�� &�� ����������� ������ ��� ��� ����-

����� �) ����������� ���� ��������� ���� � �� ����� ����� �� �!5.�-!0���� !�

!�� �

:� �������� :� 4�,��� ��� =� �� ����� =��� �) ����-��� ��� ��� � ���� )��# ���

$����#������ ��� )�� ��� $������>���� ��� ���������� ���. -�0�5����� !��9�

7� ������� *� 1���������� "%� ��� �� &�'���� $������ ���������� ������� �) ��-

������ ��� �� ��� ��� $������ ������� 7����� �������� ������ #������# ���

�������� �#,��������� ������� �� � ��� ���� �������� !�.90����5���!�� �99��

1� �� ������� � - ����� ��� "����� /�������� 3� ��� � �� �� ������� ����� ���

��� ��� ,� � !�5�*3� �����#�� $��� 2���� ���� !��5�

"� %� �� 7��� <� ������� ������� ��������� ������ ��� ��������� ��� ���

�������� ��#��� � �������? ������ ��� ��������� 9�.�0�����!!�� �99��

:� %� :�$����� &� ������ � (� ;�##�� � �� 1����� =� �������� @� ��'���� �� ��-

��

Page 28: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

����� �� ���� �� �� �� ������ ������ �� �������� �� ����� �������� ��������

��� � �������� ������ ��������� �� ��� �� ��� ��� ���� �� ��� ���������

������� � ��� �� ��� ������� �� �� ���� � ���� ��� �� ��� �� ���� �����

�� � ������ �� ��� ������� �� ��� ������ ������� � ��� ������ �������

�� � ���!���� ��� ��� �

�� �� !�����"������ #��$� ������ �� �� %���� ����� �&��$� ����� �����" ��

��� �� �����# ������� � '�()*� ��)��

+� ,������ �� �� -��&�� !���& !��� ���$� �������� . ����"��������� /0 ��$������

$� ������ ��������� $���� �� ����#���� � �� ������

+� ,������ �� �� -��&�� +���$�� �� ��1 ����� �� ����������� &��$��� �� ��

2����$1����� /0 ���$�$��������� $� ������� ����"� �� ���� ��1$�� ���

��1��������

3� ,���4���� 2� 2�������� 2� +�&� �� 0� +�1��� 5����� �� ���$���� �����

.������ ��� ����� �� �� !�� 2��1��� -�����"-�������� �������� ��� ��

�����# ������� ����� � /67(�*��/89�8)� ��)'�

:� ,������ ;� 0����� �� #� � <�� 2����$1���� ��������� ��������� ��������

�=���� �������� &���� ����"� �� ���� ��)'�

�� -��&�� 2����$1���� ��� &��$���� 3������ �� $� ���� ����"� �� ���� �8

(�*�''�9'7/� ��)'��

�� >� -��&�� 2��$�"�� ��� ������ ���������� /0 ���$�$��������� $� �� ��

�$��������� ��� �� ������ �� ����� �� ������� �� >����� ��� �� �����#

������� ����� � /6)�) /9)6�� ��)'1�

�� >� -��&�� +� �� ����� #� 5���� �� >� ��1����� �� �� .� <���$� 2��� �������

�� �� !��� ������� 1& ���$�"�� ��� ��1 ����� ��������� ����� 8�?(?8??*�

��)9��8� ��)8�

<� 5� :�$����� .������ $��$���$ �� ����$���� @��� �� ��� ��� �� ����

�������� ����%�� �� ���� 6)()*�)'/9)?6� )66 �

�� 5� :����� �� �� :� 5A �� � 3����� �������� �� ����$���� �� � ���"����"

������ .������� !���� 3�$�������� @�� >����� %� ��������� �� ����� �� �

�� ��# ����� ����� �)89�6)� ��������� ��)'�

)�

Page 29: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

�� �� ������ � �� �� ����� ��������� ������ ����������� ������� ������ �

����� ��� � ���� ���!��" ����#�������� � $���% ��������� ���������� �

����� ������ ������ ������������� &'()(* +,-.+/0� ,'(/�

1� ���2����� 3� 4� 5������ 6� 5��� 7� 6��� 1� 8� ���%��� �� 9� :����� 8� �� 1%���

��� � 5� 4� ;������ <��#�������� � ������ ����� � #����� 1��������

���� �������� #�������� � ����������� ������������ ���������� ����������� =),*

>�.>�� ,''-�

1� ���2����� ?� 1���� � �� ?������� <%����� %�����" �� �%� $���% � ���

#����������� �@#������� ����� ��� ��������� ������ �������� ,A,)(.,* -A.==� ,'('�

5� ������� <�� ��������� ��������������� ������� � �%� 3������ 1����� 5���

������ �!���� ��� !������� � %���2���� ������� ������� #���� �� ,A''8�� ���

�������� ��������� (+()+* (/+.(-,� ,''&�

B� � ����� � �� 1��#����� � B� C� 9��D�%�� 3���� <������� � �%� 4�!���#���

�� ;����� 1������� 1����� ����������� ����������� ,,)(* (=/.(==� (AA(�

�� ������ <%���" �� �%� $���%E �� � !��������� �� �%� ���� �����!���� � �%�

1��#������� 4���������� � B��������� �� �� �#� �%� 9����� ����� ���

������������� ������ ������������ �� ��� ����� ������ �� ���������� ()',* ,'A.

+'&� (-==�

1� ���#���� ;� ��������� � �� 1� 8�����%��� -�'0 � <��#��������� ���� � $���" �

�%� 8���� �� �%� $���%� 9� ;�%������ ������ �������� �� ����������� �%�#��� -�

#���� ,/+.+'+� $���!���� 5�������� ,''-�

<� $� ��%��� 8� ����� �� �� 3� ?���� � �� 5� ��<������ 4��������� �

���"���� �� 5��%��� ����� ����� �" ���!�������� ������������� ������ �����������

-)(* &-./,� ,'(&�

<� �� ����� 1��#������ � �!���#��� �� �%� �������� ������#%���� �������

,-&)/0-(* /&&./&=� (A-=�

<� �� ����� ;�������� � :������� �� �%� 1������� <�����#%���� ������ ��

���������� ;#����� ������)(* ((.+-� (A==�

3� ?����"� ?� 5� ?��#���� � :� �� ���� ������ ���������� ��% C���" � ;��� ,

������ ,''A�

(+

Page 30: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

�� �� �� ����� �� �� �� �������� ��������� ����� �� ������ ���

������� ����� �� ������ ����� �� �� ������ ������ ���� ����� ������

���������� �������� !"#$%&'#$#!� #((!�

)� ������� *��� ��������� +�� ������� �� �� ,������� �� ����-� ������ ����

����� %."/&'0#($01(� %..2�

�� 3������ )� 4� 5���� � �� 6� ������� � �7������8��� �� ����� ���� ��

�� ��� �� �� ����-� ������ ������� 0!." # #&'2//$2/(� %.. �

9� ����8� �� �� )� ���:�� �� ;���� �� ����������� �� ��� ���� �7

�<������ �� �� 3�������� ������ �� ���������� %("1&'/%!$/ (� #(22�

�� 9� 6���� �� �� 4���7� �� )� �� ��� 7� �� ����������� �7��� ��������

�������� %!("#&' %$ (� #(22�

�� 9� 6���� )� �� ����7� �� �� �������� �� ����������� �7��' � �������,

���7� ������ �������� %!"#&'0$%(� %.#0�

3� 3� *���: �� �� ;� �7�� �������� �� ,������� �� *������� ������� �=

���' � ��,��������� ���������� �� �� ���������� ������� �� ������� ��������

%. '%2($1#.� %.##�

>� ���� 9� 3� *����� �� �� 5����8��� ������������ �7��� �� ����� �� 6�����

�� �� ����� ?��� �� �������� @� ������ ���������� �� ����������

����� #2� ���� 1.!$1%.� ������ ����7����� A����� %.#1�

�� ��8�,�� �� �7�� �� ��B�� �� 3� 3� *���:� ��� ������ ��7�� �� �� *���=

����' @������ ��� ������� <������� ������ ##/"1$0&'%.($%%(� %.#.�

�� ��8�,�� �� �7�� �� �� ��B�� ���������� ��7�� �� *����8��� �� *�������

���������� ���������� ������ �������� %!"%&'!%%$!0!� %.#0�

�� ��8�,�� �� �7�� �� ��CB� �� �� ��B�� ������� �� ����� ���� �� �� �����'

� �� 7����� �� ���� ������,� ���������� �������� % #'#(2$%%0� %.#!�

�� ����� �� ������ �� 9� 9�B���� �� ������ �������� �� ;���� ������ ��

���!������� �������� (("�!&'#.�2(($#.�(%/� #((0�

)� ,�� 5��� �� )�=�� ��7�� ����� ��� ������' ���� � �������D ���� �����

�� ����� �� �������� �������� 0."#&'#(!$%#(� %.#%�

#0

Page 31: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� ����

�� ��� ����� �� � �� ��� �� �� �� ����� ��������� �� ��� �� �� �� ��� �����������

������ �� �� ����� �� �������� �� ������� ��������� �� ������� � !"�#$%�$�&#

$!'� $ (�

)� �� *�� + ������,� -.� ����� �� ����� ����������� � ���� ����� �� �����

��������� �� �� �� �� ��� ����� ��� �� �� ��� �� !� "� %���(&#�$ /� $ � �

)� �� *�� + ������,� 0��� � �������� ��� �� ��� ��� �� �� ���� ���������� ��� 1

�� � �� �� �� ��� � �������� ���� ���������� ��� �� �� ����� ���� ��� ��� 2

"'%�!32#!'$� $ ����

)� �� *�� + ������,� 4���� �� ����� -��������� ��� �� !!!"2 3�%�3�!#3�3� $ ����

)� �� *�� + ������,� 5� 0������� � ���,���� �� )� �� ��.���� 0 ������ ����� �� �� 1

����� ��� �� �6����� �������� ����� �� ��� ������ ���� ����� � � �����#� ��������

�� ���� ����� � � ����� .���� � ��� ����� ������� ������ �!�"!%��&!#$���

$ 3�

�� ��� -������� �� ��� 7���� ��� 8� *�� � ������ � *�� �� �� �� �� 9� *��� �

9��� ���� ���� �� ��� � ���� �� ��������� �� ���������� ������� ��� ��� � ��� ��

�� ��:� ������� ���������� �� ������ $ '�

9� �� *��� � �� �� ��� +�,��� �� � �� ��� �� �� �� 0������ �� ��� �� �� �� ���

������� 0����;������ �� � ���� �1 ������ ������� �� � ����� ������� ���� � �

��� ��� ��� � ����� �$�"�%��#�(� �//3�

<� �� 5���� �� �� �� =� )� <� ��� =� ������ �� 5� � =�.�� � 8������� 0��� ��������

�� > ������ -�� ���� �� ��������� �� ���� � ������� �� ��� �� ��� ��� �� �3!

"!2 '%�32'#32&� �/23�

� 5����� � ?�� ���������� � +���������� ��������� �� ������� !"3%�$&2#$/$�

�/�$�

=� 5������ �� <� 7������� -�� �� �� 8��� �� ����� @� ���� ���� ����� � �

� ��� � ��� ������ �&� ����� $(!#! 3� �� ���� <���������� >����� $ �!�

�� -� 5������ 9�. 0���� �� =����� �� ���� ��� ��� �� 0���������� ? ���� �����

$ &"3//'%�!3!#!3&� �/2'�

�� -� 5������ ?� ��� ������� 0���� �� ���� 8�14���A ����� $��"' ' %�2&2#2(��

�/22�

�'

Page 32: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer
Page 33: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Chapter 2

Numerical techniques

2.1 I3ELVIS code

������ �� ���� ���� ���� � � � ����� �������� �� ����� ��� � � ��������� ��� � ������ ��� �������� �� � ��� �� � ����� � ���� ��� � ������ � � �������������� ��� �� ���� � ������ ���� � � ���� � ������ � �� � !��� � � "� # $%%�&�

�� ����� ��������� ����� ������� ��� ���� �������� ��� ��� � ������������

���� ���� ������ ��� �������� ��������� ��� ��� ������� ������������� ����

�� !"�# $%��� ��� &���� '((�� '(()* � �� ����� �� +��, ',- � � �� ����� ��

���� �� � ������� ��� $+��, ','* ��� � � � ������� ��� ��.������� �������

�� ������� �������� � ��� ��� ��� � �������� ���� $%��� ��� &���� '(()*, /��

��. ���� ���� ���������� �� ��� ������� ��� ���� 0��������������� �� ��

��� ��� ������� ��� ������������� ��� �1 ���� 0����� ������� �0 �� ��� ��� ������

��. ��� �������� ��� �������� �������� �0 �������� �� � 0�� ������� ����� ���������

��� � ������ � ���� � �������� ��� ���������� $2�� �� ��,� '(-�3 %��� �� ��,�

'(-4*,

-)

Page 34: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

������ ��� ��������� ����� ����� �� �� ��������� ���� ���� ��� �������������� �� ������������������� ��������� ��� ����������� ��������� �� ��� ���� �� �������������� ������ ��� ���� �������������� ��� ������� ���������� ���� !"#"�$

2.2 Governing conservation equations

��������� � �� ��� ��������� ������� ��� �� ������� ��� �� ���� �� ��

����� ������������

��� ��������� �� �������� � �� ����� �� ��� �� ��� � ������� ���� ��� �!"

������ #������ ����!������� ������ � ���� �� �� ����� �! ��� �� ���

����� � ��� � ���� ����� ���������� �� ������� ������ ��� � �������� ����

�� ������ ��������� ���� �� ��� ��� ���� �� ����������� ������� ���������

�� ���� �� ����$∂σ′

ij

∂xj=

∂P

∂xi− giρ(T, P, c,M) %&�'(

)��������� �� � � ����!����� �� ��� �� ��������� ��������� �������$

∇ · �v = 0. %&�&(

'*

Page 35: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

��� ���������� ����� �������� ��� �� �������� �� � �����

ρCp

(DT

Dt

)= −∇ · �q +Hr +Ha +Hs, ������

Hr = �� ��� ����� �� � ���������� � ������

Ha = Tα�v∇P, ������

Hs = σ′ij ε̇

′ij , ������

����� ���� �� �� �� ���� �� �q=−k(T, p, c)∇T ���� k ��� � ��� ������ �� ���������

Hr, Ha, Hs �� ��� ������� ��! ��������� � � ����� ����� � ���������� �� "��� � ����� �

�� � � ��� ��� ���� � �� ��� � �� �� ����� �� �� �#������ ������ ����� �� ��� ��

��� �$������ ���� �������� �CP ��� � � ��� �$������ ������ ���� ��� ��� �%�� � �

&����! �''() *�+��� �� � �! �','� �� ��� �� �� �#������ ��� � ���- �� �� ���!

CP �� = CP +HL

(∂M

∂T

)P=const

, ���.��

α�� = α+ ρHL

T

(∂M

∂P

)T=const

, ���.��

����� ���� �������� CP � � ������ ���� ��� α �� ��� ���������� �� ��� �� �� ���-�

2.3 Initial and boundary conditions

/ ���������� � �� � �� � ������� � ���� � ����� ��� �� � ���� ����� �� �� ������

� �0 �� ���0 ������! �� ���� �� �� ��� ���������� ! � � �� ������ � ����- ���� /

�� ����� �� ���� �� ����� � ��� ���� � ��� 1 ��� ������� ����! ���������� �

���� �� ���� �� ����� � ��� ��� ��� � � ������� �� � ���� �� ��� �� ������ ���

������ �� ���� �� ��� ��� �� �������� �� �� ��� ��� �������� ���� �� ���

���� ����� �� � �� ���� 2����-� ���3 ����� ���� �� � � ��� � ���� ������ �� ����

�� ����� �4������ �� � �! �',��� ��� � ���� ���������� ������� �� ��� ���� ��

��5���� �� ��� � ������� ���������� �� ����� � � ��� 6��������� �*�+��� �� � �!

�','! �',() 7������ � � &����! �������� ��� �� ������ !��� ��� �� � � ��� � � ���

��������� ���������� ������ � �� 0.5K/km � � ��� �� � � ���� ��� ���������� Tp ��

� ������� �� �� �� ������ ΔTp = 0−250K �������� �� ����� �0��� ������ �� �� � �

���� ��� ���������� Tp = Tinitial = 1556K� ��� ���� ��� � ��� � ���� ��������

,8

Page 36: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

���� � ��� ������� �� �� 273K �� ��� � ����� �� ���� ��� ����� ������� ��

�����

2.4 Modelling of erosion and sedimentation

�� ����������� � ������� �� ����������� ��� �� ��������� ���� ������ ��

��� ���� ����� ��� �� � ����� ��� ������� ����� yeroslev ��� ���� ����������� ���

�� �������� �� ��� ������� ����� ������ ����� ��� ����������� ����� ysedilev ���

������� ����������� ��� �� �������� �� ������ �������� ��� ��� ����� �� ���

�� ywaterlev�

2.5 Modelling of dehydration, hydration and water transport

��� ��������� �� ����� �������� ��� �� ���� �� ��� ����� ������ ��������

�� ����� �� ������� � !""#� ��� �$ ������ ������������ ����� ������� �� ��%

� �� ��� ��� �� �� �� ��� ����� �� � � ������ �� ����� �� �� ������� �� ���

���������� ��� �� ���� ������ ���������� �&�������' !!() ����� �� �������'

!""#� *� ������' ����� �� ������� �� ���� + � ���� �������������� �� � �� 2wt% ��

��� ���� ������� �� �� �������#� ��� ���� ����� ������� XH2O(P ) ( wt%) ��������

�������� ��� ��� ����� ��� � �� XH2O(P0) = 2wt% �� ��� � ����� �� 0wt% �� 75 km

����,

XH2O(P ) = (1− 0.013 ·Δy) ·XH2O(P0), � �(#

����� y �� ���� (0 − 75 km)� ��� ���� ����� ������� ���� ���� �-���� �� ���%

������� �� (T < 573K) ��������� ����� ��� ��� ���� � �� ��� ����������

������� ������ �� �������' !""#� ��� ������� �� �� �������� �� �� ������ ���

����� �� H2O ������� �� ��������� ��������� �� ������� �� ��� ��������������

��������� �� ��� ��� �� ��� ��� ����� �� ���������� �$ ������ � .����

���������� ����� ���� ��� ����� ����� .���� ����������� �� ����� �� ���

��� �� ����� ������, ��������� ��������� ��� �� � ������� �� �����' ��� �� �� ��

����� �� ����� �� � ����� �������� ����� ������ .���� ������ ��� ���� �� ���

!

Page 37: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

����� ��� � ������� � ��������

vx,water = vx, ������

vy,water = vy − vy,percolation ������

vx � � vy ������ � ����� ������� �� � �� �� � � vy,percolation � ������ � ������

������� �� ������ ��������� �vy,percolation = 10 cm/yr � ��� ����� ��� ����� � �

������ �!""�� # ���� ����� ����� ��� ���� �� ��� �� �� ��� ��� � ����

������ �� ������� � ���� �� ������� �� ���� � ������ � �� ��� $#%�� ����� �

� � ���� ���������� ����� � � ������ �!""��

2.6 Modelling of melting and crustal growth

& ���� �� ����� � ��� �� �� � ���� � �� ����� � ���� ������� � � ��'����� ��%

������� ( Tsolidus � � Tliquidus� ��� ����� � ���� ���������� ���� ��)� � ���� �

����� �� ���� *�� ���� �� � � ����� ����� ��� �� ��� �� ������ ���� �� %

�� ��� ����� � ��� �� ���� � ���� �� ������ �+�� � ",-./ $��� � � 0�����

�!!�/ ���� � ��� �!!���

Tsolidus =

⎧⎨⎩889 +

17900

P + 54+

20200

(P + 54)2�� P < 1200MPa

831 + 0.06 · P �� P ≥ 1200MPa���1��

Tliquidus = 1262 + 0.09 · P ���1��

*�� ��� ������ ��2� ����� ��� �� ���� ��� �� ����� ������ ���� �� �� ���

����� � � ��� ����� ����� �� � � ����� �� ����� � ������ ���� � ���� �� ������

�3�� ",-,/ 0����� � � $��� ",,-/ ���� � ��� �!!���

Tsolidus =

⎧⎨⎩ 973 +

70400

P + 354+

77800000

(P + 354)2�� P < 1600MPa

935 + 3.5× 10−3 · P + 6.2 · 10−6 · P 2 �� P ≥ 1600MPa���-��

Tliquidus = 1423 + 0.105 · P ���-��

4 ������ ���� � ���� �3�� ",-,/ ���� � ��� �!!�� �� ������ �� � ���� ����

�"

Page 38: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

�� ���� ����� �� ������� � ����

Tsolidus = 1327 + 0.091 · P ������

Tliquidus = 1423 + 0.105 · P ������

�� ����� �� ����� �� ��� ������ �� ��� ���� � ���� 2!�������� �����

����� �� "��# �� ��� ��$$%� � �������

Tsolidus = 1359 + 0.133 · P − 5.1 · 10−6 · P 2 − 43 · (XH2O)0.75 ���&$��

Tliquidus = 2053 + 0.045 · P − 2.0 · 10−6P 2 − 43 · (XH2O)0.75 ���&$��

' � ����� ����� � ��� �������� �� � ���� �� ���� ��� � ��(��� � ���� � Pmax =

10GPa �� ���� � ������ ������ � �� � �� ��� ����� ����� �(� �������� )��

������ %�& �� *�& �� ���� �� � ��� ��� �� ����� �� ����� ��

�� ��� � ����� ���������� ��� ����� � ���� � ���� � ���������� ���� �� �� � ���

��+�� ��� ����� ����� �,� �� �� ���� �$$-��

M0 =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩

0, � T < Tsolidus

T − Tsolidus

Tliquidus − Tsolidus, � Tsolidus < T < Tliquidus

1, � T > Tliquidus

���&&�

.�� � M0 � ��� ����� � ������� � ��� �� �� ����� ���� � ���� �(� ����� �� ���

������ ��� ����� ����� ����� �� "��# �� ��� ��$$%� � ���� �� ��������� M0� /

���� � ����� �� ����� ��0�� ��� ������ ����� �� ����M � ��+�� �� ��� �1� ���

���.�� ��� ����� � ���� � ���� M0 �� ��� ����� �� � ������� �(� ����� ����∑nMext .��� � ����������� �� ���� �� 0� ��� ��� �� �� ��� ����� .�� � n �

��� ���� �� ���� �(� ���� ��������

M = M0 −∑n

Mext. ���&��

�� ������� ���� �(� ����� � �(� ���� �� ������ Mmax ���� ������ %�)& �� %���

� ��+��� /� ��� ����� ����� �� ���� M � � �� 0� �� ������ ��� �� ������ ����

��

Page 39: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

���� M > Mmax� ��� ��� ���� �� � ������������ ��� Mmin ���� ������ ����

��� ���� �� �������∑

n+1Mext =∑

nMext +M −Mmin� ��� ����� � ������

��� �� ��� ������������� ��������� ������� ��� �������� ������ � �� ��������

�� ����� �������� �� ������� ����� ������� ���!� ��� �������� � �� ��� ��� �����

������� ���!� ��� �������� � �� "#$ ��� ����� �� ���������� �� ������% �� "#$

�� �&��� � �� '����

��� ������� �(������ � �������� �������� � ������� ������� ��� �� ����� ������

��� �� �������� χvolc� )������ �(������ �� ���������� )��� �� ������� � ��

������ 5− 20% �*����% �+,-�� .������% � �� �� ����� ������ ��� ���� ����� ��� ��

/���������� ������ ����0�� 1� �� �������� ���� ��00���� �� '���� ��� 2���

��3���% � �� ������� � �� 100%� 2� ���� ��� ���� χvolc ������ 0% ��� 100%�

#����� �����&����� � �� ���������� �����0 ��� ������ 0���� �������� �� ��

�� ��� ������ � ���! �� �� ���������� '�� ������� ���� �� ���� � � ��������

�� ������ � �� ������� ����� ���! �� � �� ��������� �������� �� ������ ��

�� ����� ����� ����� 1� �� ��������� ������ ��� ����������� �� ��������� ��

�������0 ����� ���! � ������ ����0� �� ���� � �� ����� ��� �����0 ��4�� �

���! ��� 5���!� ���6 ������� � �� �� ��� ��0� ����� ��������� 1� �� ���������

����� ����% 5���!� ���6 ������� �� ���������

2.7 Density changes due to phase transitions and mantle

depletion

7�� �� ������ � �� ����� ��� ����� ������� ����% � ����� �������� ��� �����

� 0�����0������� ��� ��� ����0�� �1� ��� 8������% �+9�� �� �!�� ��� �������

)���0������� � �������� ���� �� ���������� �� � ������ ������ �������� ���

�������� ��� ��������� ��� 0% � 16% �� �� /����0��� ������ �� ������������

��������� 0������� ��� ���0���������� ����� ��������� �� ����� �1� ��� 8������%

��

Page 40: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

������

PGa−In =

⎧⎨⎩−9213.25 + T · 15.25, �� P ≥ 3000 bar

3000.0, �� P < 3000 bar�����

PP l−Out =

⎧⎨⎩−1560 + 20 · T, �� P ≥ 15000 bar

15000.0, �� P < 15000 bar��� �

ρe =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩

ρb, P ≤ PGa−In

ρb ·(1.0 + 0.16 · P − PGa−In

PP l−Out − PGa−In

), PGa−In < P < PP l−Out

ρb · 1.16, P ≥ PP l−Out,

����

����� PGa−In � bar� �� ��� ����������� ��������� ����� �� ���������������� �������

���� ��������� PP l−Out � bar� �� ��� ����������� ��������� ���������������� �� ��������

���������� �������� ��� ρb ��� ρe ��� ��� ����� ��� �������� ��������� �������� ��!

"�������� �� ��� ����������� ������ �� �#������� ����∑

nMext� ��� ������! ��

����� ���������� ��� ��� ����� �������� �� ��������! ������ ���������� �� ��$����� �� ���

��������� ��!�

ρs,depleted = ρs ·(1.0− 0.04 ·

∑n−1

Mext

). ��%�

&��� ���������� ������ �� �#������� ����� ��� ������! �� ��� ������� �� ����������

�'����� ��� (������ ))*� +�� ������ ���������� ���� �� ����������� ������ ��

�#������� ����∑

nMext > 0.3� ��� ������ �� ������� �� � �������! �������� ���

���� � ���������� ��� ��������� �� ������������ ������� �� �������������� ����������

,��� �� ������� ��������� �� ����� ����� ��

2.8 Rheological model

'� ���� ��-����� ���. �!��� ��� � ���� �� �� ��� ����� ��� ��������! ������ ����� ����

+�� �� /� ���� �� ����� ���. �!���� ��� �� ���� ��-����� ������������ 0�� ���� ��

������� 1 ��� 2����3��� 0�� ��� �4������� ���%� �� ������� �� ��������� ��� �����

������� �������� /�� ����� ����� ������� � ����������� An75 0�� ��� ��� ��! �� ���

������ ������ � �������� � ��� ��! �� ���� ��� ��� 0�� ��� �4������� ���%� '��

Page 41: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

Partially moltenMagmaticSolid

Mantle

Crust

Supracrustal

Hydratedperidotite

Dryperidotite

Lowermafic ~

Lowerfelsic ~

Uppermafic ~

Upperfelsic ~

Sediments

Plutonic ~

Volcanic ~

Plutonic ~

Volcanic ~

Resolidifiedperidotite

Serpentinisedlithospheric ~Hydrated

peridotite

Lower mafic ~ (gabbro)

Upper mafic ~ (basalt)

Sediments

Asthenospheric ~, dry

Lithospheric ~, dry

Lower felsic ~

Upper felsic ~

Water

Air

������ �� ��� ��������� ������ ��� ��� ��� ����� ���� �� ��� ���� ��� ������� �����

��� � ���� �� � �� ������� �� �� � �

������ �� �� �� �� � ��� ���������� � �������� �����������

� ������������� �������� �� ��������� ����� ��� ����������� ������ ��� ����������

������ σ′ij �� ���������� ε̇ij �� ��������� �� ��� ������������� ����������� ���� ���

������������� ������� �� �������� ���� ������� � ��� ��� � ������� �������

σ′ij = 2ηeff ε̇ij , � �!"

�����

ε̇ij =1

2

(∂vi∂xj

+∂vj∂xi

), � �#"

����� ηeff ������ ��� �$������ ��������� ����� ������ � ��������� ������������

����������� ����� ���� �� ������ � �������

��� ��� ������� ����� ������� ����������� ��� ��$���� %�� ����� ���� �� ����������

�� ��$���� ������ ��� ��&� ��� ������ ���� ��� ������ ������� ������� ���������

ηductile�1

ηductile=

1

ηnewt+

1

ηpowl, � �'"

����� ηnewt �� ηpowl ��� �$������ ����������� �� (������ ��$���� �� ���������

)

Page 42: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

���������� ���� ����������� ���������� ��

ηnewt =1

2ADσ

1−ncrit exp

(Ea + PVa

RT

), �������

ηpowl =1

2A

1nD (ε̇II)

1−nn exp

(Ea + PVa

nRT

), �������

�� ε̇II =√

1/2 ( ˙εij)2 � � ���� ��������� �� � ����� ��� �� ��� Ea, Va ����

�� ���������� ���� ��� ����� � �������� AD � �� ����������� ���� ���

����� ��� ����� n � � �� ������ ��� σcrit � � �� � ������ �������� ���� �����

�� � !��� "�� ��� #����

$� �� �� ����� �� σII > 108MPa� � %��� ��� ����� � � ����&�

������������ �'������� ��� '������ �(()��

ε̇II,Peierls = APeierlsσ2IIexp

{−Ea + PVa

RT

[1−

(σII

σPeierls

)k]q}

, ����(��

ηPeirls =σII

2ε̇II,Peierls, ����(��

�� σII =√

1/2 (σij)2 � � ���� �� ���������� APeierls = 10−4.2 s−1MPa−2 �

� ������� ��� ���� ��� %��� ���� σPeierls = 9.1 · 109MPa � � ��� %��� ��

��� ��� � ������� ����� �� � ������� ������ �� � ���� �� � !

��� ������ k = 1.0 ��� q = 2.0 �� ��*���� �� �������� ������ �� � �� ��������

������ �'������� ��� '������ �(()��

+ ������ ,���&��%���� ���� �������� ��� ����� ��&���� ��� ������� �����

� �������� ���������� -���� �(�"� ��� ����� ������ .�� ������ �� ��� ���

����������� � ���� �� σyield � ���� ��� ���� �� � �� ��� Ceff � �

������� �������� ��/���� φeff � ��� � ���������� ��&���� ������ λmelt �-���

� ���� �(�0�� ! ���������� ��&���� ������ �� �� ���� �� � ��� �� ��

Pmelt ��� � ����� �� �� P �

σyield = Ceff + φeffPλmelt, �������

�1

Page 43: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

λmelt = 1− Pmelt

P, �������

���� ����� ����� � � ���� ���� ���� �� � � ������ ���� � ���������� ����

������� ����� ����� �� �� � ����� � !�� � ���� �����" � ����� � � �� �������

�λmelt = 1��

# �� � ������ ���$��� φeff � � ������� Ceff ��� ��% �� �� �����&

φeff =

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩φ0, �� γ ≤ γ0

φ0 + (φ1 − φ0)γ − γ0γ1 − γ0

, �� γ0 < γ ≤ γ1

φ1, �� γ > γ1,

������

Ceff =

⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩C0, �� γ ≤ γ0

C0 + (C1 − C0)γ − γ0γ1 − γ0

, �� γ0 < γ ≤ γ1

C1, �� γ > γ1,

����'�

����� φ0 � � φ1 ��� �� � ��� � � % � ����� ��� �� ������ ���$��� " C0 � � C1 ���

�� � ��� � � % � ����� ��� �� ������� " γ ≥ 0 �� �� � ������ ����� ���� � � γ0

� � γ1 ��� �� ���� � � ����� ���� ���� ��� ������� ����� ����� � � �����������

(���� ��� � ��)��� ���� ���� �� �� ��� � � ���� ���� ��� � ������ �����

���� γ �� ������� � �� ����� � ���&

γ =

∫ √1

2(ε̇ij(plastic))2dt−

∫ε̇healingdt, ������

����� ε̇ij(plastic) �� �� ����� ���� ��� � ��� � � ε̇healing �� �� ������� ���� � ���

���� ���� �����

* ����� �������� ��� ηplastic �� �� ����� � ������ �� �� �� ������� �� ��� �

�� ���� � ���� ��� � ����� ε̇II &

ηplastic =σyield2ε̇II

, ����+�

!� �� �� �)����� �������� ηeff (T, P, c,M)" ���� �� � � ���������" ��������"

��������� � � �� ������ " �� �� �� ���� �� � �������� �����"

ηeff = min {ηductile, ηPeierls, ηplastic} . ����,�

�-

Page 44: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

2.9 Abbreviations and units

����� ��� ����������� �� ���

������ ����

AD �������� ����� [ Pa−ns−1]

CP ������� ��� �������� [ J/kg/K]

Ceff �������� � ��� [ Pa]

c �������

Ea �������� ����� [ J/mol]

g ����������� ���������� [ m/s2]

Hr, Ha, Hs ��������� ��������� �� � ��� ����� [W/m3]

HL ����� ����� ������� [ J/kg]

k � ����� ���������� [W/m/K]

M ��������� ������ � ������

n ������ �����

P ������ �������� [ Pa]

Pmelt ���� �������� [ Pa]

�q ��� ���

R ��� ����� [ J/K/mol]

T ����������� [ K]

Va �������� ����� [ J/Pa/mol]

vx, vy, vz ������ � ������� ����� [ m/s]

XH2O ��� ����� ���� [ wt%]

α � ����� ������ ������� [ K−1]

γ ��������� ������� �����

ε̇ij ����� ���� ���� [ s−1]

ε̇′ij ��������� ����� ���� ���� [ s−1]

ε̇II ���� ������� � � � ��������� ����� ���� ���� [ s−1]

ε̇healing �������� ����� ���� [ s−1]

η �������� [ Pa · s]λmelt ����������� ������� �����

ρ �������� ������ [ kg/m3]

σij ������ ���� [ Pa]

σ′ij ��������� ������ ���� [ Pa]

σII ���� ������� � � � ��������� ������ ���� [ Pa]

��

Page 45: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

φeff �������� �� ������ ������ ��������

χvolc ������� ������� ������

References

�� �� ���� �� �� �� ����� ��� ���� � ������� ������ � �������� ������������

� ���������� ������� ��������������� ������ �� ���������� �� ��� �������

���� � ��� ����� !���� ������� �� ����� ��� ������" #$%#&�'()*(" #++(�

�� !� �� ����� ��������� � ����� �,����-��� - ����� ����������� ! ���� ��

�������� ������� �� ��� ���������� �� ��-������ .�� �����-������ �����

��� �������� ����� �����" #$/%0)#&�(#1)(10" #++(�

2� ������" 3� 4�������" �� �� ����-�5" �� �����." 6� 7����" 4� �� 3� ������" �� !�

8�" �� �� �� 9���" �� �� ����" �� �� �� ���5��� ! ��������� � �������� ��� ���

��������� ����������� � �������� ��������� � ��������� � ��� :����5 ���;

������� �� ������� ������� ������������" 0<*%0&�$<)(1" #+0#�

�� !� ����� 6���� � ����� ���������� �� ������� ������� ������� �� �����������

��� �������� ������" #+%$)1&�0'')#00" 0*<1�

6� 2������ �� �� ����� =��� =���� ����� ��������� ! ����>��������� $� ��������

�������� ��������� ������� �� ����������" � ������

6� 2������ �� �� ����� 6������ � ��-������ �� ������������ ������ � ���

������-���� $� ��������������� ��������� �������� ������" ��-������ ��

��-��������

�� �� ����� ������������ �� �������� ��������� �������� ��-����� ?�������

�����" #+0+�

�� �� ����� �����>��������� ��������������� ������� � ������ �������� ��>

������ �� ��������� ������� �� �� ����� ��� �������� ��������" #01�$()(#" #+0$�

�� �� ���� �� 2� @� 8�����5� �������� ������� � ��-������ ���� � ������

������ ������ � ����������� A��5��� - B���� �� ������ ������� �� ����� ���

������" #*%0&�')$0" #+00�

�� �� ���� �� �� !� C��� ��������������>-���� ���5��>�>���� ������ A��� �����>

#*

Page 46: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

������ ������������� ����� ��� ������� ���������� ��� ���� ������� ��������

���� ���� ��������� � ������� �� � �� � ��� ����� � �� �� �� ������ !"#$#�%�

!��#�

&� '� (���� �� )� *� +,��� -��, � ���������� ��� ����� ��� �������� �,������ �

�� ������ ������ ��� ����������������� ������� � ������� �� � �� � ��� ����� �

�� �� �� �.#����� %#$��/� !��0�

&� '� (����� 1� *� )� 2�������� )� *� +,��� 3� (���4�5� �� *� 6� 2����� 7�� ���

����������� �� ������ ���� ��,�� � ������� �� � �� � ��� ����� � �� �� ��

�/.��$!� /"$0�� !��.�

&� '� (����� -� 1� 7����� 6� 8�� � 7� '� 7������� �� 7� *� 3������� 9���� ��������

�� ��� :���� �������� �� ��,�����,�� ,�,����� ����������� ��� � /!0�0/00�

!!�$!!/� !��/�

9� ;� � � ����� �� ������ ������ ;����� <����� ��� 9�� � �"%"�

=� >�� �� (� 2� =������ *� :?���������� 7�,� �� ��� 8� ����(����� (���,�����

:������� &��� ������ >� �� � ��� ��� �������� � �� �� �� � �� ��� � ���

���� #�#$#��� *������� (����� ���� <����� �"0��

3� 1������ � &�� ���������� �� �?���������� �,�� ��� ��� ��������� �� ��������� �

>� �������� ������� !� ���� #.$%/� 7������� <7� �"%/�

>� =������� �� 7���� =������ @�����������,��� ����� ��� ���������� �� �������

,��� ������ ��,���� �������� � ������� �� � �� � ��� ����� � �� �� �� �.%

�#$�� �!/$�##� !��%�

-� A� =��4� 6� 7���������� �� 2� ;� @����,��� * ��� ����������4����� �� ����,

������ �������� ������� � ��������� �������� ��"� ��0#� !��#�

3� 8� 6���� �� *� *� (� 3���� ;�������� :����� ��� � /���0�.%� /��$/�/� !��#�

7� 9��� �� 6� 3� 7������ 9�������� �� ,�,��� ��� � ����� �!�" �� �� �

��� ����� � ������� #���� !�0$!#/� !��!�

(� -������� ������� �� � �� �� 7�������� �""/�

6� 3� 7����� �� 7� 9���� :?������������ �� � ����� �,��� ��� ��������� ���

�� ��� �B,���� ��� ��� ����� ����������� �� � ��� ����� � ����� # ��

�.#��$�� #.�$#0"� �""%�

#�

Page 47: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� �� ������

�� �� ������ � �� � ������� ����� �� ���� �������� � ��� ������ � �������

�������� �� ���� � ����� ����������� ������� �� ��� ����� ������� ����� ������

����� !"�# $#�� %##&�

� ������ '� (���� )� ���*� � �� �� +�����,� ��-������ ������ � ��� +����.

-��" /����� ���� ������� �0��������� ������� ��&�12$!"%#32%%3� %#�#�

� ������ '� (���� 4� ��5*�� � )� ���*� (������ �� ������ ����� � ��� 6����"

6 �������� ������� ������������ ���������� ������� %7�"�382%%$� %#� �

(� 9��� '� :� (���� +� ;� '�,���� � � 4������� <���.�������� �������

������� �� ������ ���*�� � ����� ������� ������ ������� �� ��� �����

������� ����� ������ ��8�3!"$&8%2$&38� %#�1�

1�

Page 48: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer
Page 49: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Chapter 3

Regimes of subduction and lithospheric

dynamics in the Precambrian:

3D thermomechanical modelling1

Plume-lid tectonicsPlate tectonics

Tp ΔTp = 0 − 250K

ΔTp = 0K

ΔTp = 50 − 100K

ΔTp = 150 − 200K

ΔTp = 250K

Page 50: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

��������� ����� ������� �� �������� ����� ���� �� ������������ �� ������

����� ����� �������� ������� �������� ���������� ���� ������� ���� ��� �����

������ ���� ���� �� ������ ���� �� ���� ������ �� ���������� ��������� ���

���� ������ ���� ���� ������������� � ��������� ������� �������� ������ ��

� ������������ ��������� ������ ��� ���� ������� ������� ��������� ��� � ���

�������� ����������� ������� � �� ����� ������� ��� ������� �� ��������

�������� �� ������� � ����� ��������� ������ ������� ��� ��� �� ��������

�� �� ���� � ����� ��� �� �� ����� ��������� ������ ��������� ������ ���

��� ��� ��������� ������ �� ���������� ���� �������

3.1 Introduction

��� ������� � ���� ��� ���� ��������� ��������� �� �� ���� ������ ��� ������

���� ����� ������ ���� ��� �� ��������� ���� !���� "����� #$$%&� ����� �

�������� ���� � ������ �� ����� ���� !'����� � ���� #$$(&� )��� �����

�� ��� ������ ���� �� ��������� ��*�������� ��� � ���� ���� � ���������

������� ���� �� +� �� ��� , !���������� � ���� -./%&� "����������� ����� ���

�������� � �� ��� ���� ������ 50 − 300K ������ ��� ���������� �������

! �� � ���� -..%� ��� ���������� ������&�

���� ��� � ����� � � ����� ���� ������ �� ����� ����� ����� �����

���������� ����� �� ���� ��� ������ 0����� ��� ������� ������ � ������ ��

���� ��� ����� ��� �� ����� �������� ��� ����� ����� �� ���� ��� ������

��� ��� ������ ������ ������ �������� �������� ��� ����� ���� ������

��� ���� �������� 1������ ��� ����� �������� ������� ���� ���� ��*����

��� �� ������ �������� ���� ������ ��� �� ���� ����� ��������� !���� ���

1���� ��� ��� ��� 2���� #$$34 5�6�� � ���� #$-$� ��� ���������� ������&� ��� ��

������� ����� � �� ���� � ������ ��� �������� �� �� ��� � ���� �������

�� ���� � �������� ������� ������ �� 7���������� ��� ���� �� ������

��� �� ����� ���� � �������� ����� �� �� �� ��������� ��� ������

�������� �� ���������

7��������� ���� ����� �� � ��� ���� ������� ���������� ��� � �� �������

�� ������ ����� �� ��� ������ ���������� ��� �� �� ������� ���� ����� �� �

�� ������������ � �� ��������� ��������� ��������� 1������ �� �� ���� �

8%

Page 51: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

���������� ��� ������ ������ ���� ��� ���� ���� ���������� ���� � ���� �����

��������� ��� ��� ���� ������� ������� �� ���� ���� �� ��������� ���� �� ����� !��

�� ���������� ���� �� ��� ��������� ����������� ����������� �� �������������

���� �� ���������� ���"� ���� ��� ������� ������� #�� ��� ���������� ���" ������

�� ��������� ������ �� ������� ���� ���������� $��� ������� ���" �� �%� � ��

&�'�� �������� �� ���������� ���"� ��� ���� ���� � ������ �� ��������

������� �(������ �� )����� �������� ��� ��� *���� ������� � +���� �#���"��

�� �� � �,,,�� ��� ������� ����� � )�������� �+����� �� �� � �,,-. /��"��� ����.

0� 1�����" �� �� � ����� �� ��� 1������� ����� � *���� )�����

������2������� ������� ���!� ��� � ����� ���������� ������ � ������ ����2

����� ���� �������� ��$��"� �0� 1�����" �� �� � ����� �� $��� ����� �� ������2

���� ������� �� "��������� ���� ���������� � ������������ �� ����� ��� ���2

������ �#���"�� �� �� � �,,,�

%�� ���� ������� � ������ ������� ��������� �� !!� ��� ��� ���$ �� *����

�������3 #���"�� �� �� ��,,,�� ������� �����3 0� 1�����" �� �� ������� 1�������

�����3 1������ �� )�������� ��,,4�. 0� 1�����" ������� !��� �������

������ ���$� � �������������� ����2��2"��� ��������� $��� ���� !!� ����� ������

��� ��� ������ � ������� ����� �/������� �,,-. 0� 1�����" �� �� � ����.

%��5��� �� �� � ����� 6��� ������� �������� �� ������� ������� �� �� �����

��������� $���� �� ���� $��� ��� ������ ���� � ��� ������� �0� 1�����" �� �� �

����� *������ ��7���� �������� ���� ��� �������� �� ������� ����� �������

&� ������� ������� ��� ������������ �� ������� ����� �� ����� ��������� 8���

���� ����������� ��� 9��� �,,-� �� ��������� �%���� �� �� � ����� !��� ����� ��

��� �������� ���� ����� �������� �� $��� ��� ��������� ���� ���� ��� ������

�������� � ��� �������� �� ��� /���� �%���� �� �� � ����� )����� ����������

�� ��� �������� �� ��� !!� ����� � ��������� �� �������� �� /��� �� �� � �,,�.

0���� �� �� � �,,�. %��5��� �� �� � ����� !�� �� ��� �� ��:� �������� � ��� ��

������ !!�� ������� � ����� ��������� $���� ������� � ������� ��������� �������

�+����� �� �� � �,,-. 0� 1�����"� ����� !�� � ����� ������ �� !!� �����

$��� ������� ����� �2���$�� ������. ���� �� ���� �������� � ��� ���� �������

�%��5��� �� �� � ����� !�� ������� �� �������� ���� �� ��������� ��;���� ������

����� �������� �� �� ��������� �� ��� �� � ���������� �� � ���� ���� �� ���

��������� ������� �/������� �,,-�

<4

Page 52: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

�� ���� ������ �� ��� ������� ����� �� ���� �������� ����� �� ��� �� ����

��� ��� �������� �� ���� �� ���������� ��� ��� �� ����� �� ���� �� ����������

���������� �� ����� �������� �� ����� ��� �� ������ �������� �������� �����

����� ����� ������ � ��� �� �������� �� �������� ������� ���� ���� !���� � ����

�""#$ %�� &��� ��� %�� �� '��� �(()$ *�+�%� � ���� �(�($ ,���� �(�#$ ,��� � ����

�(�-� ��� ������ �������

.�%���� ������ ������ �� �/ �������� ����� �� .��������� ����������� !��

&��� ��� %�� �� '�� ��(()� ����� �� ��������� ���� �� ������ �� 200−300K �� ��

����� ������� �� ����� Tp ���� �� ������ ���������� ������ �� �� �� ���

���� ���0��1� *�+�%� � ��� ��(�(� �� ��� �� ������� �%��� ��������� �����

������ � ����� �� ����� ������� �� ������ ��� ����� � ���������� ���� 2���

����������3 �� 2 ������������3 ��� � ����� 200−250K ������ ��� 2 ������������3

�� ����������� �� ������� ������������� ��� �������� ������ ���� ������������

4 ����� ���������� ���� 2 ������������3 �� �������� ���������� ��� ����� ��

160− 175K ������� ����� ������� �� ������

/� �� �� ���� ���� .��������� ������� ���������� ������ �� �� ������ �������

����� �� �������������� ���� ������������� �5������ � ���� �(("$ .����0 ���

,���� �(��$ 6���7��� � ���� �(�#�� �� 8/ �������� �������� ������ �� .���������

�������� ��% �� ������ ��� �� ���� ���� ����� ���� ������ � �� 9��� �� ����

8/ �������� �������� ������� �� �� ���������� ����� �� ����� �� �����9� ��

�� �������� ������ ������ ����� %�� &��� ��� %�� �� '��� �(()$ *�+�%�

� ���� �(�(� �(�#� ����� ��:���� �� ���������� ����� *��������� ��������� �� ���

������� ���0 �� ��������� ��� �� ���� �� ������ ����� ����� ������� ���

����� �%�� &��� ��� %�� �� '��� �(()$ *�+�%� � ���� �(�(� �(�#�� �������� ��

����� ������ ����� ���������� �� ���� �� ��� ������

3.2 Methods

3.2.1 Model design

�� ������� �� ����� �� ���������� �� �� ������ ��� ����� �� �%������� ����

������ � ���� ��� �� 6��� 8���� ���� � ��+ �� 1000x328x680 km ��� �� ������

�� ���� ��������� �� 2x2x2 km � ��� ���� � ������� ��������� �� 1 km ��� ��

8;

Page 53: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

400 km

600 km 500 km

100 km 500 km

A

C

BE

D

3 km 5km

35 km

12 km 23 km

90 km

Page 54: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Hydratedperidotite

Dryperidotite

Lowerocean. ~

Lowercont. ~

Upperocean. ~

Uppercont. ~

Sediments

Newly formed ~

ResolidifiedperidotiteShear zone

Serpentinizedlithospheric ~

Hydratedlithospheric ~

Lower oceanic ~ (gabbro)

Upper oceanic ~ (basalt)

Sediments

Asthenospheric ~, dry

Lithospheric ~, dry

Lower continental ~

Upper continental ~

Water

Air

Partially moltenVolcanicsSolids

Mantle

Crust

Supracrustal

680

km

1000 km

328 k

m

680

km

1000 km

328 km

1300°C1100°C900°C700°C500°C300°C100°C0°C

b

a

12 − 15 km

130 km

3.0 cm/yr 1.0 cm/yr 2.0 cm/yr

Page 55: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

+50KTime: 7.98 Myr

b

+0KTime: 9.48 Myr

a

20 25Myr 25Myr

273K

Page 56: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

��������� �� ���� ��� �� ��� ���������� � � ��� ����� �� ��� ��� � ��� ��

��������� �� ��� ��� �� ����� �� ��� ����������� ������� �� ����� ������� ��� �

���� � ��� ������� ����������� ����� � �� 0.5K/km� ������� ��� �� ��� ���� ���

����������� Tp � ����� ����� � ������� �� �� ������� ����� !���� ��� �� ��� �

"ΔTp = 0 − 250K �������� �� ����� � ��� ������ �� �� ��� ���� ��� �����������

Tp = Tinitial = 1556K "���#���� �� ���$ %&&'((�

�� ������ �)�� �� ����� ������ � ����� χvolc = 100%� �� � � �����

��������� ������� ������ �)�� �� � !���� � �������� �� �� ���� � 5− 20%

� � ���� ���� ������� ����� ��� ����� �� ��� ����� �� ����� � "����� �( ������

��� ����� � ��*�� ��� "+���$ ,-./(� �� ���� � �� ����� � ����� ��� ������

��� ��������� �� ������������ ���� ���� ��������� � �� ��� ����� ��� ���� ��

����� � ��� �� ��������� �� �� ��*�� ��� ��� ����� ������� ���� 0�� � � ������

���� ���� �� ��� ���������� "1����� � � ������$ %&&-(� ��������� ��� ���� ��������

��� ��� �� Mmin = 2wt% ���� Mmax �� ���� ���� � � � ��� ����� ����� "���

���� 2�%(� 3�� ������ �� ������ ��������� $ � ���� ������ σyield � ��� �� ����

���� �� � ��� ������ Ceff = C0$ ��� ������� ��� �� ����� � ��� φeff = φ0

� � ��� ��������� � ����� ������� ��� ηplastic �� ��� ���� � ������� �� ��

����������� 4�� +������ % ��� ������� 5� ���� ����� ����� � � � �������� ���� �

� ���������� ����� ������� �� ��� � λmelt = 1 ������� Pmelt = 0 � � εhealing =

0� !���� � � ����� ���� ����� ��� ��� �� yeroslev = 8km ����������� ysedilev =

20 km$ ���� ��� ��� ����� � ���� �� ywaterlev = 12 km� 1019 Pa s � � 1024 Pa s ��� ����

�� ����������� ����� � � ����� ��� �� ������� ���� ��� ��� ����� �� ���������

16 ����� � ���� ����� " �� ���� � 6����� ��7 � � 6����� �����7( ��� ��������

���� ���� � � �������� ����� ����� "��� 3�� 2�%�(� � ���� �� ����� ���� �����

� � �� ���� ����� � ���� ������ 0�� ���� � ������� � ��� *����#�� 0�� "8� ���$

,--9( ��� � ������ �� ����� �� � � ����� ������� �������� �� ����� ����� �������

� ���������� An75 0�� ��� � � ��� �� ��� �� ��� ������ � ��������� "��� ��� ��

���( ��� � 0�� ��� "8� ���$ ,--9( "��� ���� 2�, ��� � ���� �������� �� �������

���������(�

3�� � ���� ������� ������� �� ��� ������ �������$ ��� +������ % � � 3����� � �

:���� "�������� ��� �������� (�

/&

Page 57: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

�����

�������������������

��������������� ������������������������������� �� ������� ���������������������

����

����

��

���

ρ0

k�

���� �

Hr�

HL

φeff

σcrit

Cp

[MPa−

ns−

1]�[−

]�[kJ]�[J/b

ar]

[kg/m

3]

[K]

[ W m·K]

[ μW

m3

][kJ

kg

] [−]

[MPa]

[kJ/kg]

���

���

���

��� ��

����

�����

������

���

������

�����

�����

���

����

����

����

����

����

����

����

����

���

�����

����

��

���

BD

=1.97

·1017�n=

2.3�

Ea=

154�Va=

0

2600

2400

2750

2400

2700

2400

3000

2900

0.64

+807

T+77

1.18

+474

T+77

��� !

�"#

��� !

�$#

2.0

1.0

2.0

1.0

0.25

300

380

0.0

0.15

0.0

0.03

0.0

0.03

0.0

0.03

0.0

0.03

0.0

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

%�

�� � �� �

�����

���

�&

�''�

�����

���

'���

���

����

����

����

����

����

����

(����

�����

An75

��

���

BD

=4.80

·1022�n=

3.2�

Ea=

238�Va=

0

2950

2400

3000

2900

2900

2400

1.18

+474

T+77

0.64

+807

T+77

1.18

+474

T+77

0.64

+807

T+77

��� !

�)#

��� !

�$#

0.5

2.0

0.25

0.5

1.0

380

0.15

0.0

0.6

0.0

0.03

0.0

0.03

0.0

30

0.0

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

���

�� ���

*��

������

��

���

����

���

��+�

���

���

BD

=3.98

·1016�n=

3.5�

Ea=

532�Va=

0.8

3300

2900

0.73

+1293

T+77

��� !

�,-#

0.022

400

0.6

0.0

0.03

0.0

1.0

1.5

�����

���

�� ���

*��

������

��

��.

� ��

���

*�

�� ����

����

����

����

����

����

���

��+�

���

���

BD

=5.01

·1020�n=

4.0�

Ea=

470�Va=

0.8

3300

2900

3300

2900

3300

0.73

+1293

T+77

��� !

�,-#

/

0.022

0.05

0.022

400

/

0.0

30 0.0

30

0.0

30

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

�����

� ��

��0�,

,�!

1,

,�!

��������������� ���C

0=

1MPa�� �������������� �����α=

3.0

·10−5K

−1���������������β=

1.0

·10−5GPa−1�

�!�����������"���������� ���#��������������� ��������������������������������������������������$%�&���������'(')

�$()*���������%� �����$�''�)�$�)+���������%� ������$(,,-)�$�)���������.�����$(,,-)�$/)0������$(,,-)�$-)%� �������1��

$(,,2)

��

Page 58: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

3.2.2 Variations in the mantle temperature

3.2.2.1 Development of the mantle geotherm during Earth history

��� ������ �� ������ ������ �� ��������� �� �� ���������� �� �� ���

������ ����� ���� �� ����� �������� �� ������ ��� ������ ��� � ������

��������� �� ��������� ����� ���� ������������� �� �� ������ ���� ���

���� �������� ������ ��� ������ ��� ����� ���� �������� �� ������

������ ���������� ������ ���� � ������� �� ���� ������ ��������

ΔTp = 200 − 300K 3Ga !��� � ��" #$$%& '������� � ��" ())*" ()#)" ��

���������� ������+ ��� ����� �� Tp ������ ��� �� ����������� ������� �� �� �

200K ,�-����� �� .�����" #$//& !��� � ��" #$$%& '������� � ��" ())*" ()#)+�

'������" �� �������� �� ����� ��� ������ ����� �� ����� ����� ���� ������

�������� !��� � ��" #$$%& '������� � ��" ())*" ()#)" �� ���������� ������+�

0����� ������ �� ������ �� 1������ �� 2��� ())*+ ����� �� �������� ��

��� ������� ������3 ����� #4 �������� ������ ��� ���� �5���� 3Ga

�� ������ ΔTp �� 150K�

3.2.2.2 Reference model series

����� ��� ���� �� ��� ��� ���� �� ������ ��� �� � ���� ����������� tmax �� �� ��� � ��� �� ���� �� �� �������� �� �� ��� �� ��� �� � �� � �� ��� ����������������� ����� �� ���� ����

����� ΔTp Mmin� Mmax tmax ����� ��[ wt%] [Myr] �� ������ �

�� � �� � ����� �� �� � ��� �� � ������ �� �� � ����� �� �� � ������ ��� �� � ����� ��� �� � ��� �� � ������ ��� �� � ����� �� �� � ������ ��� �� � ����� ���� �� � ��� �� � ������ ��� �� � ���� �� �� � ������ ��� �� � ���� ��� �� � �� �� � ����

4�� � �� �������� ��������� ��6�������� ��� �������������� 74 ���������"

��� ���� ���� ����� �� �� ������ �� ���� ������ �������� ΔTp �����"

�������� � 0���� � �� ()#)+" �� �� �8�� ����� ��� �������� ������ �� ����

������ ������� �������� ��� ������� ,��� ������ �������� �� �������

%(

Page 59: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

400 800 1200 1600 2000

0

100

200

300

400

500

600

Dep

th [k

m]

Temperature [K]

oceanic+250, cont.+200+175+150+100+50+0

������ �� ����������� ����� � ��� �� ������ ����� ���� ����� ����� ���� ����� �������� ������� ���������� ����� ����� ���� ������ �� ����� ������ ����� �������� ����� �� ��� ������ ���������� ���� ������ ��

���������� �� ��� � � ��� ��� ����� ������ � ���������� ���� �� ��� �������

������� �� ����� �������� �� ����� � ������ �� ����� ������� ��� ������ �� �� ���

���� ��� ����������� Tinitial = 1556K ��������� �� ���� !!"# ��� ��� ������ �

������� �� ���� �� ��� � ����� ΔTp = T (t)−Tinitial (0−250K) �$�� %�&#� ��� ��

��� ����� ������� ������� ������� ����� � (0.5K/km) � '��� �� ��� �� ��� ���

���������� �������� ����� � � � ����� �� � ��'� � �� ��� ����� � � ��� ����������

���������� �� ��� �$�� %�&#�

��� ������ �� ����� (! �������� �� �� � ������ ����� �)��� �������� ����� ������

*����� �� ���� !+&# � � ��� � �� ��� ���� ��� ����������� �� Tinitial = 1556K� ���

,�������� ������ �� �� �� ���� ���� ��� ��� ����� ����������� ΔTp =

[50, 100, 150, 175, 200, 250]K�

&%

Page 60: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

3.2.3 Numerical constraints and setup dependencies

���� ���� ���� �� ����� �� � ������ ���������� ����� ��� ��������� ���

������� �� ��������� ������ �� �� ������ ������ ����� �� ���� �� ��������

���� �� ������ � �� � !"!# ���������� �� ����� ����� ��$��� � ��� ������� ����

���� ��� ���� %�� � ��� ��� %��# ���������� �� ��� ������ � ������� �����

�� � ��� ��� �� ������ ��������� ��� ��������� ������ �� �� &�� ������� �����

�� ���� ������ ��������� Tp �� �� ������� ��� � ��� ����� �� ���� � ����

��� ������� ��������� ��������� ��� ���� ���� �� �������� �� ��� ���

� ���� ��� �� ������� ΔTp ������ ������������ � ������ ���� �� '��� �������

(�� � �� ����� ��� �� ���� ����� �� ����� �� �� ��� � �������� ���� ��

����� ��� �� �� � ���� ������ �(���� � ��� !")#� *��� ������ ��� ������

�������� �� ���� �� ������ ���� �� ��� � ��� ��� �� ���� ��������� %����

� ������ ΔTp ��� ���� �������� ������� �� ���� �� �� ����� �� �� �� �� ������

��� ���� ��� ������� ��� ���� ����� ��� ��������� * ������� ���� �������

��� ���� �� 1019 Pa s ��� ���� ���� ������� �< 100 yr# ��� �� ������ � ������� ����

������ ��� �� ���������� ���� �� 50Myr �� ���� ��������� ���� ∼ 3months

�� ����� ��� ��� � �� ������ � ∼ 6months ����� ��� ��� ��� 6.5Myr �� ����

��������� ��� ���� �� � �� ������ ���� ��������� ΔTp = 250K�

3.3 Results

+� �� �������� � ������� ������ � ����������� �� �� ����� ��� ��� ��� �� ���

������� ��� �� ����� ��� ������ ��������� �� ���� ������ �� ��������� ���

�� ����� ��� ������ ������ ��� ��� ����� �� ������ � ������� ���� ������

��������� ������� *� �������� �� �� ��� ����� ����� �� ����� �� ���� ,� ���

����� ,�- � ,�. �� �� �� ����� ,��" � ,��) ��� �� ����������

3.3.1 Reference model for present-day subduction (ΔTp = 0K)

������ ���� �� ���� �� ����� �� ���� ,�"� �� ���� �� ��������� ��� � ��

�������� � ����� �� 3 cm/yr� ����� ��� ������� � �� ���� ����� ���� ���� ���

))

Page 61: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

� 6 − 8 km ���� ����� ��� ����� ���� ��� ���� �� ��� ��� ������� � ��

��������� ������� ����� � ������ ����� �� ���������� ����������� ����� ��� ����

�������� ����� ������ �� ���������� ����� � ������ �� ��� �������� ��� ���

� �������� ����� ��� �� ��������� � ������������ 3 − 4 km � �� ���� ��!" �� ��

���������� ���������# ���� ��� � ��!"� ��� ��!"� ��������� ��� �� ����� ����� ������

!������� � �� ��������� ����� ��� � � ������� ��� �� ��� � ��� �� �����������

����� ������� �� ��� ����� ����� ��$%��� &���� � ���� ������ ���� ������� ���

�� ��������� ������ ������� ��� � ��� ����� ��� �� ���������� ����� ���

�� � ���� ����� ������ ����� ����� �� ���� '�� �� ����� ����� ����� � ���

�� ������� ��� �# �� �� ����������� ��� � � �� ���������� ����� ������ ������

��� ���� �� � ���� �� �� �� �� # ��� ������� �������� � � ��������� ������

����� ��$%��� (���� �����# ��� � ������� ���� ��� ����� �� �� ������� ���� #

����� ������� � ������ ���������� �� ��� � �� ���� )� �� �� � 10Myr �� ���

������ �� � ����� ����� ����� ������ ���� 8Myr ������ # �� ������ ����������

���� �� �������� ���� ��� �� ��������� ����# ��������� ��� ��� � ����� ��*�����

������ � � ���� ����� *�� ������ �� ��������� ��� ��������� ��� ����� ��

���� 9Myr� +��� ∼ 17Myr �� ��� ������ ���� �� ������ �� � ���� ����� �

���� � 90◦� �� ���� ����� ����� � �� ��� � ������� � � ��������� �� �� �

������ ����������# ��� ������ �������� ������ �� ���� ����������� ��������� �

, ������ ���������� � �� ������ ��� ��� �������� �� �� ������� �� ������ ���

���� �� �� � ���� �� ����� �� ��������� ������ ��� ��������� �� ���� ���� ���

��� � � �� ���������� ��������� ���� ∼ 18Myr ����� ������� ����� �����������

��� � �� �������� � �� ��� � �� �������-����� �� *��� ���� � ���� ��� ��$%���

+� �� ��� ���� �� �������� ���������# ��� � ������� � �� ��������� �����#

������� ��� �� ���������� ����� ��� �� ������� ������� �� �� ������ ��� ��� &����

�� ���� ������� ���� �20 − 25Myr�# ������ ��� ������� ��������� ��� ��������

������������ �� �������� ��������� � �������� �� � ����� ���� � ���� 100 km ��-

��� �� ��� ����� �. ����� �� ���������-��������� ����� ��� /���# ������� � ������

�� �� ��������� ������ + !���������-���� ��� 0��� 1��������� �!�01� �2����

��� &�����# %33�� � ������� ��� ����� ���� ��� ����� �� ������� ������� ���-

�������� ��� ������� ������ � �� ��������� ����� ����� ������ !��������� �� ��

������� ������ �������� �� � ���������� ������ ���� �� ������ �������# ������

���� � �� ���-����# ��� �� ���������� ����� ���� �� ���������� ����� �� ������

�'����/ �� ���# %3$4��

4�

Page 62: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 28.77 Myr

Time: 17.48 Myr

Time: 8.44 Myr

Retreatingslab

Slab window

TrenchSTEP

Arc

Partially moltenhydrated mantle

Rising fluids

Trench

c

b

a

ΔTp = 0K

Page 63: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 17.02 Myr

Time: 11.82 Myr

Time: 8.00 Myr

Trench

Entrainedlithosphereand crust

Slab drip

Partially moltenmantle wedge

Arc

c

b

a

ΔTp = 100K

Page 64: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 20.68 Myr

Time: 14.83 Myr

Time: 10.57 Myr

“Arc”

Planardripping

Cylindricaldripping Necking

Neckingc

b

a

ΔTp = 175K

Page 65: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 6.47 Myr

Time: 3.94 Myr

Time: 3.10 MyrSlab drip

Accretionary prism

PlanardrippingCylindrical

dripping

c

b

a

ΔTp = 250K

Page 66: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

3.3.2 Influence of mantle potential temperature increase ΔTp

3.3.2.1 Variations in the retreating speed of the subducting slab and trench

0

10

20

30

40

50

600 100 200 300 400 500 600 700

Tim

e [M

yr]

Distance from overriding continent [km]

0 10 20 30 40 50 60-10

-8

-6

-4

-2

0

2

Oceanic subduction

Tren

ch d

epth

[km

]

Time [Myr]0

5

10

15

20

250 50 100 150 200 250 300 350 400

Distance from overriding continent [km]

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

0 5 10 15 20 25Time [Myr]

Continental collision

+250+200+175+150+100+50+0

a

b

c

d

������ �� ���������� � ���� � ������� �� ������� ΔTp� ��� ����� �� ���� � � ������ �� �������� � ��� ����� � ������ ����� ��� ����� �� ������ ��� ����� ���� ����� � ���� �� !�� ��! ��� ��! ��� ���� ����� " ���� �� ! �� � ! ��� ��!� ��! ��� � ! ��� ������ � ��� ���� ������ ��� ��� � ��� ��� ��� �������� ���� ����� ����#� ��! ��� ��! ��� ��� ����� �� ������� ��� ��� ����� ���� � ���� ����� �# ��� ��� ��� � ��� �� ! � ��� ��� ��� �������� ���� ����� ����#� $�� ��%� �� ������ ���� � �����# ��������

�� ��� �������� ���� ��� ������ ����� �� ������� ��������� ���� �������� ���

�� ������ ��� �� ��� �������� �� � ��������������� ��������� ���� ��� ���� ������

������ ����� ���������� �� ���������� ���� ��� ��������� ����� �� ��� ����������� ��

��� ��� ��� �����!���� ������" �� ��� �������� ������� ��������� �� 20−25Myr�

��� ���� �������� ������ ����� �� ��������� ����� ���� �� � ������� �� ��� ���������

���� �� ������ �� �� �� �#������� �� ��� ��������� ����� �$��� ��% �� &����' �� ���

��()*���

$����� ��% ����� ��� ���� ��������� ������������ ���+� ����� � ������� ���,��

-(

Page 67: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

�� ������ ��� ������ �� ��������� ����� � ��� ����� �� ��� ���������� ����

�ΔTp = 0K� ��� ���� �� �� �� � 6 − 8 km ���� ������ �� ������ ������ < 5Myr

���� ��� ��� ���� �� ��� ����������� ������ ���� ������ �� ������ ���� ����� ���

����������� ���� ���� ��� ��� ���� ��� �� �� ��� ������� �!�������� ��� ������ ���"

������� �" � ����� �������� �� 50 km ������ ��� ����������� ���� �� ������� ��� ����

�� ��� ������� ������� ��� �������� �� ������� ������� ��� ��� ����� �� ��� �����������

������ �� �� ��� ����������� ���� #���� ��������� ��� !������" �� ������� �� ���������

��� �� ����� ���� ���� ����� �� ��� ����� �������" �� � �������� �� 600 km ���� ���

������� ������ �������� ��� ����

$����� ��� ΔTp = 50 − 100K ������ ��� ���� ������� ���� ��% ��� ��� ��� ���

����������� ���� ��� � !��" ������� &���!�� ��� ������ �� ��� ����������� ������ �����

�� ����� ������� ���� ��������� ΔTp ��� ���� '�� ���� �����!����� ��� �� ���� ���

��� ������� ������� ����� ��� ������ �������� ������ ��� ����� ΔTp ��� ����

$����� �� ΔTp = 150 − 175K ��� ���� ��!� � ����"�� ��������� �� ��� ������

�� �������� �� ��� ������� ������ ���� ��� ��� ���� $���� �� �� ΔTp = 175K

������� ���������� ����� � ��(���� ������ ����� �� 8 km �� ��� ����������� ������

��� ���� '�� ���)��� ���� ������ ����������" ���� �������� ����� ����)�� ���� ��

��� ����������" ���� ����������� �� ��� � ��)���� ������

��� ΔTp = 200 − 250K ��� *������+ �� ���!� ��� ��!�� ��� ��� ���� ���� ���� ���

��� ��� ��� ���������� )���� �� �� ��,-� '�� ������" ������� .���� �������

0 − 50 km ��� 350 − 400 km� �����" !������ �� ��� ����������� ������ �� ��� �����

��� ����� ���� �� ��� ��������� �� ��� *�����+/�������� �� ���� ����� �� ��� �������

������ ��� ����!� ��� ��� �����!� ����� ������� �����!������ ��� ���� �� ��� �����/

����!� ����� ��� ���� '���� ��, ��� ��� ��� ��� ��0�

&���� ΔTp ����� �� � ������ ������� �� ��� ������ '�� ������ ������� �� �������� �" ����

� ��� �� ������ ����� ������ ������ ���� ������� ��� � ��� �� ����������� ����� �����

������ ������ �(������� �� ��� �!������� ����� &���!�� ����� �� ���� � ������������

����� ���� ��������� ΔTp �� ��������� ������ ������ ������ �" ������� !�������

����!��"

�,

Page 68: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

+ 0K + 100K

+ 250K+ 200K

Time: 14.54 Myr Time: 11.82 Myr

Time: 6.34 MyrTime: 9.17 Myr

a

dc

b

680

600

500

400

300

200

100

0

680

600

500

400

300

200

100

0680

600

500

400

300

200

100

0

680

600

500

400

300

200

100

0

km

km km

km

500560 400 300 200 520 400 300 160

500570 400 300 210 500570 400 300 210km km

kmkm

mafic/felsicterrain collision

mafic/felsicterrain collision

entrainedoverriding plate

entrainedoverridingplate

slab drip-off

rising fluids

rising fluids

bending slab

������ ��� ��������� �� � ��� ������ ��� ��������� ΔTp ���� �� �� ����� �� � �����

������ �������� �� � ���� ���������� �� ����� � �� ���� ����

3.3.2.2 Variations in slab geometry and behaviour

�� ��� �������� ��� �� �� ����� 17Myr � ��������� � ����� ��� ��������� �����

������ ���� ��� ������ ��� ���� ���������� ��� ����� �� � ����� ����� � 60◦ − 70◦���� ���� ��� ����� �������� ������ ��� �� ��� ���� ����� ������� ������ ��� ������

��������� ������ ������ ���� ��� ��!"���

�#

Page 69: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Viscosity [Pa·s]

1e+19

1e+20 1e+22 1e+24

1e+25

+200K

+100K

+0K +0K

+100KTime: 7.21 Myr Time: 17.81 Myr

Time: 10.03 Myr

Time: 19.46 MyrTime: 9.48 Myr

entrainedlower crust &lithosphere

necking no weakening

entrainedlithosphere

separatedforearc

weakenedarc/forearc

startingslab break-off

e

dc

ba02004006008001000 670 500 400 190

680

600

500

400

300

200

100

0

340

300

200

100

0

340

300

200

100

0

340

300

200

100

0

340

300

200

100

0

km

kmkm

km km

km

km

ΔTp

ΔTp = 100K

80◦−90◦

∼ 11Myr 11 13Myr

20Myr 400 km

ΔTp = 200K

2Myr

300 km 9Myr

Page 70: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

��� ��� ������ ����� � �� �� �������� �� ��� ������� � ���� B4h ���� ���� ����

��� ���� ���� ��� ������ ��� ��� ������� ��� ������ �� ��� ���� ������ ������

����� ��������� ������� �� � ��� ��� ��� ������ �� ���� ��������� ��� ����!� �"

��� �� ��� "���� �� ���!�� ����� ����� �� �������

��� ΔTp = 250K ��� ��� �" ��"� �# ��������� ����� ������� �� ��� �������

���� ��$��� %�� �� ������� ��������� ������ ��� ����� ������� ��� ���"��� �

���� �� � � �� ��� ��"�� ��� ��� ������� �� ��� �� 6.5Myr� &� ��� ��� ��

��� �������� ��� ��� ��� ������������� ��� � ������ "��� �� ∼ 160 km ��� ���

������� � ��"�� �� 150 km' �� ��� ������ ��� �������� ����� ��$� ��� ���(���

��������� ΔTp ��������� ���� �� �� ������� � ��������� �"���� ��� ����� ��� ����

���)���� ���!�� �� ��� ���� ��� *��� ������ � ����������� �����!�� �� �� ��

��� ��������� "�������

3.3.2.3 Variations in geometry and composition of the accretionary prism

&��� �������� ��� ���"����� �� ��� ����������� "��� ��� ������� �� �������

ΔTp� �� ��� +������,�� ���� �� �ΔTp = 0K�� ��� ����������� "��� ������ �� �

��� �� ���� �� ���!���� ������ �""�� ����� ��""�� �� � ���!���� ������� ����

���� ���-��� .� ������� ��"���� ��� ��������� ������ � ���"���� �� �������� ������

���!� ��� ���"������� � ������ ����"���� ����� ����� ��� ��� ��� "����� ����

�������� ��� ��������� "������ ���� ���-��� /�� ������ ���������� ��� �,� ��

��� ����������� "��� � ������� ��� ��� ��������� ������ � ������ ���� ���-���

.� � ��� ������� � ΔTp = 50 − 100K� ������ ����� ��������� ������� ���

� ������ "��� � ����� ���!�� ���� �� ��� ����� ��� ���� �� ��� ��������

�� � ���"������ "��!�� ���� "��!��0!� ��������� ������� ��� ��� ��� �������0

�� ������ ����� ��� ��� �������� ��������� ������ ��� � *�� �� ���"�������

����"���� ����� "������� �����1�� �� ��������� ������ ����� ��� ��������

��������� ����� ���� ���-��� /�� �������� ����� "������ ���"�������� ��� � ��

����� �� ��� � ������ "��� ����� �� �������� ����� ��������� ������� ��� ��0

���� ��� �������� �� ����� ���"������ "��!��� ��� ��� ��������� ������ �����

��� � ������ ��������� ������ 2��"���� �� ���� ��� � ���! ���������� ����

� ������ ����� ���� ������ �� ��������� ��� "������ ��� ��� ������ �����

���� ���-���

�3

Page 71: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

+ 200K+ 200K

+ 100K+ 100K

+ 0K+ 0K

Time: 9.17 MyrTime: 1.89 Myr

Time: 17.02 MyrTime: 9.04 Myr

Time: 20.41 MyrTime: 4.44 Myr

exhumation ofoceanic crust

thick maficterrain

mafic/felsicterrain collision

serpentinitepockets

large sedimentwedge

serpentinitepockets

entrainedoverriding plate decompression

melting

wideningarc

hydrated crust

wedgechannel

channel

rising fluids

a

fe

dc

bkm540 550 450 270 km600 500 400 330

km500 400 300 230 km580 500 400 310

0

100

50

170

km

0

100

50

170

km

0

100

50

170

km

0

100

50

170

km

0

100

50

170

km

0

100

50

170

km

km530 450 350 260 km550 450 350 280

������ ��� ��������� �� � ����������� ���� ��� ����� ��� ��� ��������� ΔTp �� ������ �� ����� �� � ����� ����� �� �� ���� ������������ ��� ���� ������������� ���� �� �������� ���� �������� �� � ���� ����� ���� �� ���� � �� ���� �!�

��� ΔTp = 150 − 175K ��� ��� ����� �� �������� ������ ���� � ����� ����

�� ��� �������� �� ��������� �� �� ����������� ����� �� �� �� �� �ΔTp =

175K� ����� ��� �� �� ����� ���� ��� ������ �� ������ ����� ���� ���� �����

�� �� �� ����� ����� �� �� � ������ �� �� ����������� ���� ����� ������

���� �� ����� ����� �������� ���� �� ������� ����� ���� ������� � �����

��������� �� �� �� ����� ����������� �� �� ��� ���� ���� ������ �������

�� ����!��� � ������� �������� � ����� �� �� �� ��� "��� � ��� �� �����

������� � ����� ������ �� ���� ����� ������ ���� �� ��������� �����

���� ����

##

Page 72: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

�� ��� ��� ������ ����� ���� �� ������� �ΔTp = 200 − 250K�� ��� � ��� ��

����� ����� � ���� ���� �� ��� �� ��� ������ � ��� ��� ���� ���� �������� ������

���������� ���� ���� ���� ���� � �� ���� 2Myr� ��� ��� ��� ���� �� ��� ���

� ������� ��� ���������� ��������� � ���� ����� 40− 50 km�� ��� �������� ��

����� � � ��� ��� �� ����������� �� ����� ����� �� ���� ��� ���� ���� ���

��������� � ���� � � �� ������� ��� ��� !�"#��� ����� 9Myr ��� $�����% �� �

����� ��� �� � ������ ��� ������� �������� � �������� ��������� � � �� ���

��� ��� !�"#��

3.3.2.4 Variations in geometry and composition of the forearc region

&� ��� ������ � � ���� ��� ��� ��� ������ ��������� �� ���� ��� � ��� ��

��� ���� ���������� � ��� !�"# �� ���� �� ���� � ��� ��� ���������� �� ��

� ���� ���� ���� ��� ���������� ��� ���������� �� �� �� �� ����� �� �� ���

���������� ���� ���� �� ��� ������� � ���� ��� �� � �� �� ������� � �����

∼ 13Myr �� ��� ���� �� ������ � �� � ��� ��� ��� ���������� �� ��� ������� ��

���� �� �� ������� ��� ��� �� ��� ��� !�""� �� !�"#���

�� � ����� �� ���� ����� ���� ΔTp = 100K� ��� �� ���� �� ���� ����������

�� ����� ���� �� ��� ���������� �� �� � � �� ������� ��� �� � � � ��� � �� ��

��������� ��� ��� !�"'�� !�""� �� !�"#� ��� ��� ���� (����� ��� ����� � ��� ���

����� �� ���� ��� ���� ����� ���� � ���� ��� ��� � � � ��� !�"'��� ���

�� ��� ��� ������� � ��������� �� ��� ���� �� � ��� !�""��� � ��� � � � �� �� ����� �

�� � ��� ��� ����� ���������� ��� ���� ��� ������� � � ������� ��� ���������

�� ���������� �� �� � ��� !�)#� �� !�"#��� ��� ���� �� � ������� �� ����� ��

������� ����� ��� �������� � � �� � �� ���� � ��� !�""���

�� ΔTp = 175K ��� ���� �� ������ � �� ����� �� ����� *��� � �� ���� ���� ��

�� ����� ���� ���� ������� ������ �� � ��� ��� ����� ���� ����� ����� ��� ��

� ��� !�+� �� !�+��� (�� �� ��� � � � � ����� � ��� �� )������ !�!�#�"�� �� ��� �

�� � ����� �� ��� ���� �� ������ � ������� �������� �� ����� �� ��������� ���

� ����� �������� � ������ ���� ������� � ����� ���� ����� ��� ����� ���� ��

������ � ��������� $��������% ���� ��� ����� �� ��� ���� � ��� !�), �� !�+��

,-

Page 73: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

3.3.2.5 Variations in arc and backarc region

�� ��� ����� ��� ���� ����� �� ��� �� ����� ��� � �������� ��� ��������� ������

����� ���� �� ���� ��� ������ � ��� ��� ��������� ������ ���� ��� ������ �� ����

��� � �� ���� �� � �������� ������� �� � ���� ������ ���� �� ����� �������

��� �!�������� ������ ���� ���������� ��� �� �� ����� �� ������� �������� ���

"�� ��� #�� � $ ���$ %�� ������� �������� �&� ����� �� ��� '(�) ��� ���������

�������� ������ ������� ������� �� ��� ���������� ���� ��� ���� *������� ���������

������ ������ ���������� � �����!��� � ����� �������� �� ��� ��� ����� ������

��� ��� ������� �� ����� ��������� ��� � ������ ��� ��� ������ ����� ���(���

"�� � ������ �������� ���� �� ��������� ��� ����# � ��� ���������� �� ��� �!���

������ ������ �� ��� ���� ��� +�� ��� ������ �� �� !������� �� � ��������� ��� ��

����!�� ���!� ��� � ������ ��������� ������ ������ ������ ���� ��� �� �����������

� �� ������������� ��� !��������

�� ��� ,������-��� ����� �������� ���������� ��� ��������� !�� �� �� ���������

������ �������� ������ ��� ���� ��� ��� �� ���� 100 km ���� ��� ������ �� � ������

������� ����������� ��� �� � �� ��� ���� �� � ���� ����� .��� � ���� ��� ��

�� �� �� ������ �� � � ���� ��� ������� � ����� � � ��� ��+��� ������ ���

����� ��)���

/��� ��������� ΔTp ��� ��� �� �� ������� ���� ������ ���� �������� ������ �����

������ �������� &��� ��� �� �� ��� � ����� ��������� ������ ������ ������ ����

��� �-� ��� !�� �� ������� ��������� �� ������ �������� �� ��� ���� � ��� ��

��������� ������ �������� ������ ����� ���� ��� �� ����� ��� ��� ��� ���� ����

��� ������ ���� ������� ��� ������� ����'��� ���� �� � �� ������� ��+��� ��� ����

����� �!�� � ���� ������� "�� ���#��� ������ � �%������ ��� � ���#�������� ����

���� � +���� �� ����� ����!�� ���� ����������� ������� �� ����� ������������

�� ΔTp = 100K � 80 km ��� ������!��� ����� ��� �� � � ������ �� ��� ������

����� ���'���

��� ���� ΔTp � ����� ���� �� ��������� ������ ������ ���� ���� ��� ��� ������

����� ������ ���� ���� �� � ������������� ��# ��� ��� ��� ��� �!�������� �����

��� ��� ��� ��� ���� ��� ��� ��������� �� ����� ��� �� �� !������� ���#� /���

�!�� ��������� �������� �� ��� ��� ��� �� ����� �� ����� �� �ΔTp = 175K� ��

����������� �� ��� �� � �� ����� �������� ��� ��������� ������ ������ � ����!�� ���

)0

Page 74: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

��� ����� � ���� ���� � ���� � �� ����� ��� ��� ������� �������� ���� ������

�� �� �� ��� �ΔTp = 200K� ��� ����� ���� �� ���� ��� �� ���!� �� �� ��� ���

���� �������� �� "�������� ����� ��� � ���� ��� ��� ������ � ������ �����# �#

� ���� ����� � ����� �� "���� �$������ �� ������ ������� ������� ��������

����� ��� � �� ��� ���

%�� �������� ΔTp ������ ������� � ��� ������� ��� "�� ��� ���� ��� �"��� ���� �

� �� ����& ���# ���� � �������� � 8−12 km ��� ��$��� �������� �� ΔTp = 100K

����� ���'�� ���' �� ���'��

3.3.2.6 Relationship between fluid-fluxed and decompression mantle melting

b

a

dry decompression melting

fluid-fluxed melting

+250+200+175+150+100+50+0

0 5 10 15 20 25 30 35

Time [Myr]

0

1

20

1

2

3

4

5

6 x 107

Mel

t vol

ume

[km

3 ]

������ ��� ��� ��� ����� �� �� �� � ΔTp = 0− 250K �� �� �� ������ ��� �� � �� ������ ����� ����� ��� �� ��� �� �������� �� ��� ����������� ��� ��� � ���� ��������� �� ���� ������������ ��� �����!�� ��� "� �� �� �� ����� �� ������ �� ��� ����� ��� �� ��� �� �������� ��#���#�$�� ��� ��� � ���� ��������� �� ���� �������� %�� ��� ��� ���� ����� ������ ��� � �� ���������� & �� ����� ������ �� ������ ������ �� ������ ��� ��� ��� #��� � ����� �� ���� �����

����� ��� ��� (����� ������ ��������� ���� ��� �# ��� �� ���� ��� )*�$�

������ ��� ���# ����� � �# ���� ������� �� ������ ������ �� "�� �������# ������

�� ��" � ��� ������� ���� ���� ���� �� � ��������� ������ � ������ +� ���� �

,

Page 75: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

newly formed crust

0 5 10 15 20 25 30 35

Time [Myr]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4 x 106

New

ly fo

rmed

cru

st v

olum

e [k

m3 ]

+0+50+100+150+175+200+250in crust

������ ��� ��� ����� ���� �� ����� �� ���� ����� � � ��� ����� �� ��� ���� �� ���� � �����

�� �� ��� ����� �� � �� ���� ΔTp = 0−250K� ��� ���� �� ����� �� ���� ������ ����� �������

�� ������ > 50 km �� ���� � ������ �� ��� ������ ������� ��� �� �� �������� � �������� � ������

�� ���� ��� �� �� ��������� ��� ��� ������ �� ���� � ���� �����

���� ������ �� ��� � ��� � ���� ���� ��� �� � ∼ 10Myr� ��� ������ �����������

����� ��� ��� �� ������� �� ����� ��� � ���� ��� ����� ���� ΔTp � � �� ���������

������ ���ΔTp = 200 �� 250K ����� �� � ����� �� �� 10Myr �� �� ����������

�� ����� ���� �������� ����� �� �� ��� � ��� � ���� �� ������ �� ���� �������

� ������ ������� ��� ���� �� �� ������������� �������� ������������ �������

� ��� ������ �� ������������� !���� �� ��������� �� � ���� �� �� ������ � ���� �

�� �������� ��� �� ����������� ���� ���� ���� ��� � "�� �� �� ������� � �

�� ��������� #���� �� ������ � "���� �� ��� �� ���$� �� � �� � "���� ��

��� ��� �� ����� � � ���� ������ ���� ����������� %�� ����� ���� ΔTp �� ������

�� �� � ��� � ���� ������� �� �� ���������� ����� ��� ��� ��� �� ������ ����

�� ������� ������� �� ���������� ������� ����� ��� �� ��!�� �� ����� �� � ��� ��

������ �� � ���� ����� ��� ���� ���� ���� �� �� ��� ���& � � ���� ����� � ��

���� �� #����� ���� �� ���'$� ��� ����� ��� ������ ��� �������� �� �� ����������

�� ��� ����� ��� �� �"���� �� �� ������������� �������� ���� ∼ 12Myr �� ��

� ��� � ���� ������ ����� ��� � �� ��� ��� �� �� � ���� ����� ���� �� �� ��

������� �� �� � ��� �� ������ � ���� �� ���������� ��� �� �� ���������� ���������

������� #��� ���� ���� ���(�$� ������������ ������� �� �� � ���� ����� � ����

�� �������� ��� ΔTp = 0K �� �� ��� ��� ����� �)��� � ΔTp = 50K� *������

��� ����� ���� ΔTp� �� �� �� �� ������������� ������� �� �� � ���� ����� ��

+,

Page 76: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

�������� ��� ��� ��� ��� ΔTp ≥ 150K� ������������� ������ �� ��������������

����� ��� ������ � � ���� ��� ����� ���� �� ���������� ������ ����� ������

�� ��� ����������� ����� ���! �"�� ������ �� �������� ��� ������ ������ ����

������ �� ��� �� ��� �� ������ ���� �� ����� ��� �� ��������� ΔTp� �������������

������ ���������� ������ ���������� ���� ���������� #� � �� ΔTp = 50− 150K

�� �� ��� ���$��� �� ��� ����� ���� ��� ���� �� ��� ��������� �� � ���� ��� ��

��������� ����� �� %������ ����&�'� ��� ΔTp = 150 − 250K ������������� ������

������ ���� ��� ������ (#) ������� ��� �"������� ����� ����������� ������� ������

��� �� ��� � �������������� �� ��� ����� ��� ���������

3.3.2.7 Variations in volume and composition of newly formed crust

*��� ���������� ΔTp ��� ������ �� ���� ��+, ��� �� ���������� ������ ����� ��

��� �� ������ ������� ����� �������� ���� ����� ������ �� ������ �����

������������� ������ ������� �� ��� ���������� ����� ���� ����� ��+�� ��� ��+,�� -���

����� ����������� ������� ����� ��� �� ������ ��� � ����� ��� ΔTp > 50K ��� ��

��� ���$��� �� ��� ����������!������ ���� ��� ���� ����������� ����� �������� ���

�� � ���� ����� �� �� ������ ������� ���. �� ��� ��� ��� /���� ������� ��� ����

������ �� �� ����� �� ����� ����������� -��� �� ���� ��� �� ���������� �� ��

������ ����� ���� ���� ��+,� ������ ����� ��� ��� �� ��� �����$�� ������� ����� ����

������������� ������� ������� ���.� ��������� ����� ��� ���������� ������� ����

�� ���� ��+, ��� ������ �� ���� �� ������ 12−15Myr ���.� ��� ����� �� ��� ��������

���� ���� ������ �� ����� ��� ��������� ���$��� �� ��� ������� ��� ���� �� ���

������� ���� -�� ��0������ ��� ��� � ���� ��� � ������ ��� �� ���� ��+, ��������� ���

������ �� ��������� �� ����� ��� �� ��� ��� ��� ����������ΔTp� #� ��� �������� ��

���$��� �� ��� ���������� ���������� ����� � ��� ������� ���� �� ����ΔTp� ��� ��

��� ���� ������� ������� �� ����� ������ �� ��� ������� ���� ��� �� ��� ������ ���

��� ���������� ������ ��� ���������� -�� ��� ���� ����������� ����� �� ��� ��

��� ΔTp = 200 ��� 250K ��� ����� �� �"������� ���� ���!��������� ������!���

���������� �� ����� ���������� #�� �������� �� ���������� �� �� ������ ����� ���

��������� ��� �� �������� �� ����� ������ ��� ���� �� ������� �� ��� ������� ����

���� � � ����� ���� $��� �� ������� �� ��� �� ������ ����� ������ ���� ��� ����� ���

���� �� ��������� ��������� �� ������� ����� ������ ���� ��� ��+,�� ����� ��+� ��� ��+,

���� ���� �������� �� ����!���������� ��� ���� ���������� �� ������� ���� ����������

12

Page 77: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

3.3.2.8 Variation in structural behaviour of the crust and mantle lithosphere

+0K

+200K

+100K

buckling plate

bucklingpassive margin

necking lithosphericdrips

Time: 12.56 Myr

Time: 8.31 Myr

Time: 11.82 Myr

c

b

akm1000 900 800 700 600 500 400 320

0

100

200

260

km

0

100

200

260

km

0

100

200

260

km

������ ��� ��������� � �� � ����� � ���� ��� ����� ����ΔTp �� ���� �� �� ������ � �� ��������

������� �������� � �� ����� ����������� �� ������ � �� ���� ����

�� ��� ��������� ���� ��� ������ ��� �� � ���� ������� ������� ��� ����� ������

������ �� ������� �� �������� ΔTp ��� �� ���������� ����� ���� �� �������� ��

��� ����������� ����� �� ��� ��������� ����� �� ��� ������� �� ��� ��������� �����

����� �� ��� ��������� ����� �� ΔTp = 100K � ������ �������� �� ��� ���������

����������� ����� ��� �� ������� ����� ����� ��� ������ ������� ����� ����� �!"�#�

�� ΔTp = 150K ��� ��������� ����� �� �������� ������ ���� ���� ��� ��� ���������

���� �� ��� ����� ����� ������ �� ��� ������ $� ���� ��������� �� ������� �� ΔTp >

150K� %��� ���������� ����� ���� �� � ���� � �� ���� �������� ���� �� ��� ������

�� ������������� ������ �� �������� �� ��� ������������ �������� ������ ��������� ��

���������� ���� ������ �&�� �&� �� �'�#�

(!

Page 78: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

������� �������� �� ��� ����������� ������� ���������� ����� � ��� ������ �� �����

�� ��� ������� ������� ��� �������� ������� ����� �� ���������� ����� �� ���

�������� ����� ����� ������ �� �������� � ��� ������ ������ �� ��� ����������

���� ����� ������� ��� ��������� ΔTp ��� ���������� ���� �� ��� ������� ������

!��� �� ������� �� �� ���������� ����� ������� ��� ΔTp = 150K �� ������"

��� ������� ���������� ������ �� �������� ����� ��� ���� ��� ������" �������� �

���������� �������� � ��� ����� ����������� ��� ���� ��� ���� ���� ��#���

$� ������� ����� ���� �� �������ΔTp > 100K ��� ��� ��� �� % ��� ����� ��#� % ����

�� ΔTp = 100K� �� �� �� ������� ���� ����� � !��� � ������ ������ ���������" ���

����������� ������ �������� ������ �� ��������� ������ ����� ��� ��������� ������

������������� ������ ������ ������ ��� ���� ������ ��& �� ������ '� ���� �����

��� ����� ���� ������ �� ���� ����� ��#�� �� ��� ��� ����������� ������� ����� ��

�(������� ������ ���� ��� ��������� ���� ������ ������ �� �� ������� �� ����

���������� �� ����� ������ �� ���� �� �� ��� �������� �� ��������� ������ $�

��� ���������� ������� �� ��� �� � �� ����� ���� ������� ��� �� ���� �� �������

����� ��� ���� ������ ��#� �� ������

'�� � ��� ����� ������ �������� ��� �� � ����������� ������������� ���� � ���

����������� �� ������ ΔTp� ��� ΔTp ≥ 150K ����� ��������������� ��� ���� ����

�� ����� ������� �� ������������ ����������������� ���� ����� ���� �� ������

������ ������ ������������ ����� ����������� �� ���� ������������ � ������

�������� �� ������ ���������� ���� ������ ��&" ��) �� ������

3.3.2.9 Variations in the mantle flow pattern

��� ������� ������ *�� �������" �� ������� �� ��� ���������� ����" �� ���� �������

+������� *��� �� ������� ���� ��� ��������� �� ������ ������� ��� ���� ������

����� ������ ������� ��� ����� � ��� ���� ���� ������� ������ ����� ��� ����� ���

������ ���������� �� ��� ���� � ��� ���� ��, ������ ���� �������� ��

���� ����� ��� �������� ����� '���������" ����� ��������" � ������� *��

����� ��� ���� ��� �� �� ��������

-�� �� ��� �(����� ������� ������� �������� ���� ���� ��� �� #����� .���" �����

�� �ΔTp = 50K� �� �� �ΔTp = 100K� ���� �������� �(����� �������� ��������

�� ���� ��� /������ ��0�� ������� ��� ���������� ��� �������� � ��� ������

1.

Page 79: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

+200KTime: 8.91 Myr

+50KTime: 7.98 Myr

Poloidalflow

Small-scale convection

Poloidalflow

b

a

km1000 200400600800 00

100

200

300

400

500

600

680

km

0

100

200

300

400

500

600

680

km

ΔTp = 50K ΔTp = 200KΔTp 100− 300 km

Page 80: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

��� ΔTp > 100K ������� �� �� � ����������� �� ��������� ��� �� ��� ����

������ ��������� ��� ������ �� ��������� �� ����� ���� �� �������� ����

����� ������ � ��������� ��� ��������� ΔTp� ��� �� �� � ��������� � ����

�� �� ����� ��� ����� � �� ������� ∼ 300 km �� �� ��� � ����� ��� �!�

3.4 Discussion

3.4.1 Geodynamic regimes of subduction and lithospheric dynamics innumerical experiments

"� �� �� ������ �� �����#�������� ���� ��� ������� ��� ���� ������ ��� ��

������ �� ����� ���������� $������ � ��� � �� %�� �� ���� �� �� ��� �����#

���� ��� ������� ������ ��� ������ ��� ������ ���� ����� ���� &����������

� ���# �� ������ �'���� � � �� ()�*! � �����#��� �������� ��� � �� ������

��� ���� �%� ��

3.4.1.1 Regime I: Present-day subduction ΔTp = 0K

��� �� ������ � ��� � � ��������� ��� ��� �����#��� �������� ��� +����� �����

��� ���� ��*! ��� ��� ������� �� ������� � ��� � �� ��,���� ��� ���� �� -���

�� �� $��� ����

3.4.1.2 Regime II: Dripping subduction ΔTp = 50− 100K

��� ����� ������ � � ���� ��� �� � �����#��� �������� ��� � �������� ���#

� ��������� �� 50− 100K �� ����#�� � �������� ����� � ������ �� ��

��� ������ � � �� �����#��� ��� � ��������� ��� ���� �� ��� �� ��������!�

$������ ���� ��� � ��� ��������� �� � �� ���%���� �� �������� ���������� ���

� ���% ��� �� �� �������� � �� ����� ���*�!� �������� �� �������� �� �� ����

��� �� �� ���������� � �� ����� ���)�!� ��������� � ��� ��� ����#�, ���� �� �� ��

����� ���.!� �������� ���%��� �� �� �� ����� �����! ��� ����� �� ��� �� ����� �

�� �� ���������� ����� ����!� /���#�, ���� �� �������� �� ��� ���� �� �! ���

0

Page 81: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

����� �������� ��� � ��� �������� �������� ���� � ������ � �� �� �����������

��� ���� ������ ���� ��� ��� ��� ������ ������ ����� �������� � ������� ����� ������

��� �� ��� ����� ��� �� ���� � ��� ���� ��� �� �� �����!� ������ ���� ��� ���

���� ��� � �����"�� � ��� � � �� � ��� #� �# ������ ���# ��� ����� ���� �

���� ��$��� %�#�!�� #�� � � � �� ��� ��� �� ������ ������������ ���� ���� ��������

���� ��� ���� ��� ��� ����� ��� � � ��� ��� �� ����� &��� ��� ����� ���

�����!� �� !� %� � � !� � '��� �())�� � *��� � !� %� � �()�(��

�� �� ���� ������ +����� � �������� , �� �� �� ������������ �� � ����� ��������

-� � #���� �� ��� !��� ������ �� ����� ���� �������� ��� #��� ������ ���� ����

��� ��� ��� � ������� ��� ���� ���� .� %� � � !� � '��� �())�� �

*��� � !� %� � �()�(� ��� #��� �� �� ��� +������� �������� , #��

���� �����!� ������ ��� ���� ��� � �� ������ �� ���� �� �� ��������� �������

���� ��� �����!� ����� � �������� ������ ��� �������� �� ������� ��������

�� ��� ���� ������

3.4.1.3 Regime III: Transitional mode ΔTp = 150− 200K

/ � ���� ������0 ����!� �������� �� � �� �� ���� ��� ����������� � ������ ��

ΔTp = 150 − 200K0 ��� ����� �� ������� ���#� ���� ���� ��1� ���� �������� �� ����

����� �2����� � ��3���� � ��3���(� �� #� �� ������ ����� ��� �2����� ��3���3��

/ ���� ��� ����� � ���0 ��� ��� ��� ������ �� #�� � � �� �� !��� ����� ���

��� ��� �������� � ������� 0 ������� �� ���� � ���� �� ����� ��� ��� ��������

�� � ���� 4� ΔTp = 200K ����� ��� ��� �� ���# � &��� ��2� � ����� ��2$

� ��25� ��� ������� � ��� #���� �� ����� � �!� ���� ������� � ���� �

� �� �� �� !����� � ���� ������ ��� 4���� �� #��� � ������ � �����������

��� �������� ������� �����!� ��#������ ����� ��!���0 �66(� � � ������ �� ����

������ � �� �!����� � �� �� ���������� � �#�� �� �� � �� ����� ������ � ���� �

� �� ��� �������� �������� &��� ��� �� � � ������ �� �#����� �������� �� ���

�������� -� �0 ������ ��� �������� ����������� ������ ��2$0 ����� � �������

&�� �#� ����� ��������� �� !����� ���0 ����� � �� ��� ��� � ����� ��� �� ��� ���

�� �#�� �� �� ����������� ����� ���5��0 ���� �� � �� � ������ �� ������ �����

�� !����� ��� ����� � ������ ���# ��� 74' ����� ���5��� &���� �� !����� ��� ���

!��� � ������� ��� � ��� ��� ��������� #��� � ������ �� ������ � ������ ����

5$

Page 82: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

����������� ������� �� ��� ��� �� ��� ���������� ����� �� ��� ��� ���� �

������������� ������ ����� ���� ������� ��� �� ���� ��������� �� ���

���� ������ �� ��� ���� ���� � � ������

3.4.1.4 Regime IV: Plume-lid tectonics ΔTp > 200K

��� ����� ��� ����� �� ��� ����������� �� ΔTp = 200K �� ������ �������

� �� ��� ������� ��� ��� � ����� ����� �!�� ������� ���� ��� ��� ��"��

# ���� � �� ����� � �!�� ������ ���� ��� ��! ��� ���� �! � �� � � ���

���� � �� ��! �� ���� � �� ��� ���� ������ ��� ��� ��� ���! ������ � � �

������ �� ��������� ��� # �� � ����� � � �� ��� �� ��� �� �� ����� � ���

��� ���� �$�� �� ��� � �� ���! ������ �� ��� ������ ��%� �������� ���� ���

��� ��"� ��� ��� ��� ���&'�� (��� � � � �� � � ��� ���� ���� �� ������! ���

��� ���� � ���� ��� ��! � ��� ������� � ���� � �� ��� ����� )�� ���� ��

���� � �� ��� ���� �� ��� ����� � � ����� �� ��� ���������� ��� ������� � �

����� ��� ���������

*� ����! ��� ������ �����! ���� +����� ����� �,� +����� �� ����� �, ��

+���� ��� �����,� �� ��� �������! ����� �-����� � &.."/ ����� �� ���� 0''�/

-��1����� 0'&2� � � �������� �3���� �� ���� &..2/ 4�� � �� ���� 0'&2/ ��� 5� �� ����

0'&2/ 6��!� �� ���� 0'&�� �! ������ ������� 3� 7�� � �� � �0'&&� ��� �������

� ���! ���� �� ������� ����� �� ������ ��� ���� ������ �� ��� ������� ��

��� 8������� 6��� �� � ���� ����� ����� � ���� � ��� 9�� :����� *���� �

;���� �������� 3� 7�� � �� � �0'&'� � � -�� �� ��� �&..&� ��� � ����

����� ��� ��� <���� 8���� �� ;���� �������� =��� � ���� ��� ��� ��� � ��

�� ������� ��� �! ��� ���� ����� �� ����� � ��1��� �� ���� 0'&�/ 6��!� �� ����

0'&��� # �� ������� ��� �� �� �� ���� �� ��� ���� � ��! � � ������� �����

����� �� � � % � ����� ����� � ����� � � ��� �� ���� ����� ����� � ��

����� �� ����� �� *�� ���� � ��! ����� ����� � ��� ���� ���� ��& � � ��0�

������! � ������ ��� ������ ������� �� ����� �� ����� � ��1��� �� ���� 0'&�/

6��!� �� ���� 0'&�/ ����� � � 6��!�� �����

>>

Page 83: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

1024102210201018

Viscosity [Pa·s]

0

100

200

300

400

500

600

700

Dep

th [k

m]

102410221020

+250+200+175+150+100+50+0

ba

������ ��� �������� ������ ����� ������ ��� � �� ��� ��� ��������� ��� ��� ������ ��������� �� ΔTp = 0−250K ���������� � ��������� ��� �� � �� ��� 4.4Myr� 3.1Myr� 3.2Myr�3.3Myr� 3.2Myr� 2.8Myr� 1.8Myr �� ΔTp = 0, 50, 100, 150, 175, 200, 250K ��������� ��� ����� ���� ��� � ������� � �� ���� � �������� ��� � ���������� � �� ���� �� �

3.4.2 Linking temperature and plate strength

��� ���� ������ ����� � ������� ������ �� ����� ����� ��� � �� �����

������� �������� ����� ��� �� ����� ������� �� ������� �� �����

������� ��� ���� ����� ������ ��� �� ������ ������ �������� �� ��

�� �� ��� ���� ����� ������ � ��� ���� ����� ��� ������ � ���� ��

������ �� ���� ����� �� �� �� ������ � ���� �� ���� ��� �! ����� ������� ��

�� �� �� �� ��� �� ����� ��� � �� ��� �� �������� ����� �� ��� ��

"

Page 84: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

�� ��� ����� ���� �� ���� � ���� ����� ������� ����� ���� ������� ��� �� ���

����� ������� �������� �� ������� ����� ������������ ��� ���� �� ��� ����������

������ �� ���� ���� �� ����� ���� ������ �������� ��� ������� ������� �

������� �� ��� ������ ������ ����� �� ���������� �����!���������� �� ����

�� ������ ����� �� ����� ����� � ���"���� �� ������ ��� ����� �������� ��

������� ����� �� ������� �����!����� ������������ �� �#��� �� ���� ��

�������� �� ��� �������� ����� ����� �� ����� ������������� ����� �������

����� � ���� ������ ��� ������� �������� ������� ���� ���� ��� ���$���

3.4.3 Consequences of wide-spread mantle-derived magmatism

%�� ������� ����� ������ � ��� �� ����� ����� ���� �� ��������� ��� ������� ��

������ �� ������� �� &����� ��� �� ��� ���� ���� ��� ����� ����� �#�������

������� ���"�� �� ���� ���� �������� ������� �� ���"�� ����� ����� &�����

������ ��� ����� �� ����� ���"��� ������ ��� � ������ ���������� ����� ��

�� ���� ���� ����� �������� �� ���"�� ��� �������� '��� �� �������

������ �������� � �������� ������� ���� ���� ��� ���$�� ���� �� �� ����

����� �����!����� ������ �� ���� ��� ������� '����

(����� ����� �� ������� �������� ������� � ����� ��� ����� ������� �����

�� ���� ���� ������ ����� ������ � ��� �� ������� ����� � ������������ �!

������� )���� ������ �� ������ ���"� ������ � &��� ������ ����� � ��� ��

� ���"��� ������� ����� ���� �� � ������� ��� ����� �*���� �� ���� $+�,-

���.�� �� ���� $+�,�� ����� ��/� ����� ������ �� �" ��� �� ��� ������ ���!

�� ����� ���� ��� ������ �� ���� �� ����� ���� ��0� �� ���$��� �� ������

����� ����� �� ��� ���� �� ��� ���������� �� � ������ ����!��!"��� ���������

�(� 1�����"� $+���� �������� �����!���� �� ������ ��� ��� ����� ������!

����� ��� �� ����� ��� �������� �������� ������� ���� ��������� �������� ��

�����!������ ���������

�� ����� ������� �� ����� ������ �� ����� ������� ����� ���� � �����

����� �� �������� ������������ ����� �#������� ����� � ��� �� ���� � ��

� �������� ����������� 2������� ��� ��������� ���������� � �� ������ ���� ���

Tp ������ �� ���3����� ���� �# �� ��� ������ �� �������� � ����� &��

�� ���� ����������� ����� ���� ��� �������� ���� �� ����� �� ��������

40

Page 85: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

������ ����� �� ��� ������

3.4.4 Formation of small plates

������� ��� ������� � �� �������� ��� ����� ��� ������ �� ������� �� ����

���������� ������� � �� ����� ��� ���� ���� �� ���� !�"!� ��� !��#�� �� ������ ��

� ������ ��$������� �� ������ ������� ����� ��� ���� ��� ������ �� ����

������ �������� ������������ %� ���� ΔTp ������� ����� �������� ����� ��������

���$ �� �������� ��� ��� ���� � ������� � �� ����� ���� ���� �� ������

$���� � ���� !�"�� ��� !�"&��� '�� �� ����� ������� �������� � ��� !�!�� ���

���� �( ��)� ��� ���� ������ �������� �� ����� � ��� ��$������� �� �� ���� ���

���� ���� ���������� *��������� ���� ���������� �� +������ ���� � ��������

������� � ������� ������ $�� ���� ΔTp �"�)�� �� ��� ������

3.4.5 Slab break-off and initiation of cold downwellings

����� !��, �$� �� ������ � �� +��� ���� �����-. � ������� $�� ��.�����ΔTp� %�

�������-��� ������ ����������� �� ���� ��� ������ . ����� ���������� �������� �

�� ��������� ΔTp �� ������� ���� . �� � ����$�� ���� ��������� �� ����� � ��������

���������� %� ΔTp � 200 �� ���������� ����� ����� . $���� < 4Myr � �� ��

�� �� ������ �� ������ ��� �����-����� ��������� �� ��� � ����� ��������

� �� �������� �� ΔTp = 100K �� ���� �������� �� �$���� �� ����� �� ���� �

��������� ���� /���� ��� 0��� ������ 1�� /���� ��� %���� ������ �$�� ��� �

$������� ���� ����� � � ����� ���� ����� ���$��� ���������� ������� ���$��� ����

�����-.� �� ������ � ���� ������� ��� ������� �� ��� �(������� $���� � $�������

���� ���� /���� ��� %���� ������ �������� ��� /���� ��� ��� ��� 2��� ����,�

�$�� ��� �� ���������� ΔTp ��������� ������ ������ ��� ��� ��������

%�ΔTp = 150K ��� ����� � 3������-����� ������������� ������ �� �� +��� ���� ��

�� �� ���� ��� ��� �� �� ���� � �� �������� � ��� !��,�� '�� ������ ����������

ΔTp �� ������ � 4.-����5 3�-������������� ��������� ������ �� ����� � �� ����

��������� $��� �� ���� ���� ����������

&6

Page 86: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

0 50 100 150 175 250200Increase in mantle potential temperature [K]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Mod

el ru

n-tim

e [M

yr]

Plume-lid tectonics

Transitional mode

Dripping subductionPlate tectonics

B0 A0 B1a B1b A1 B1c B2a B2d A2 B3d A3 B5b A5 A5b B4a B4d B4e B4b B4f B4g B4h A4 A4a A4b A6

- Off-slab RT-instabilities- Slab necking- Onset of collision

tmax

∼ 20Myr

3.4.6 Factors inhibiting the subduction process

ΔTp

Page 87: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

ΔTp � 200K

3.4.7 The onset of subduction

Eclogitedrip

Small-scaleconvectionarea

Crustalconvection

Page 88: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

����� ����� �� �� ������� ����� ��� �������� ���������� ��� �������� �� � ������

��������� ���������������� ��� �������� ������� ����� ��� ����� ���������� ���

� ������ ������ �� �������� ������ ������ �� ���� ����� ����� �� ���� !""#�

��� $��������%� !"��� &���'��� �� ���� !"��(�

)�� ���������� ΔTp �� ��������� ��� ����� ���������� ��� ��� ������� ������

��������� �� ���������� ��������� *�� �������� ������� ��� ������ ��� �� ��������

���+����� ������ �� �� ����� �� ����� &����� �������� �� ΔTp ���� ���� �� � ��������

��� �� ���������� ���� �� ������� ����� ������� ������� �� ����� � ��� ������ ��������

�������� ������ �� ������� � ��������� ���������� �&��� #� ,� ��� -����� ����!((�

.������ ��� ���� ����� ���������������� ���� ����� �������� ��� �� ���������� ���

���/���� ���� ���%��� ��� ��������� )�� ������ ������� �� �� ����� ������� ���������

��� ������� ��� ������ ����� ����� ��������� &����� �������� �� ΔTp ������ ��

���� �� �� ����������� ��� ����� �� ���� ���/���� ���� ����%��0 ��� 1����� � ������

���������� ������� ���� .���� ��� ��� ��� 2���� !""3� 4���� �� ���� !"�,(�

*� ������������ ����������� ��������� ����������� �� � ������� ���������� �������

�� ��� ��������� �������� ��������� �� �� ����� ����� ��� ��������� �� ��

5�����+���� *������� ��� ��� ������� �� ����� ��� �� 5������ �� ��� ���

%��� �� �������������%� �������� .������� �� ����� �� ������� ��� �� ����������

�� ����������� ���������� ��� ����� ��������� ��������� ������ ���������� 6��

����� ��� ������� ������� ����� ��� ������ �������� ��������� �� ����� ���������

���������� �� �� 7���8� �������

3.4.8 Setup dependencies and model limitations

$�������� �� �� ������ ��������� ����� ��� ���������� ��� ������� ���������� ����

��� �� 5��������� �� ���� ������ ��� �� ����������� �������������� ����� �9������

��� ��������� �� ��� ����� ����������� ��� ��������� �� 5��������� ����� ���

������� �������� -�� �� � ���� ����� ��� %������� �������� ���������� ���

��� ���� ������ �� �� ������� ���� ���������� ��� �� �������� �� �� ���� �� ���

���������� :���������� ���������� ��������� ������� ����%� �� ������ ΔTp = 200K

������� �� ����������� ����� ��������� ����������� 5��������� ������ %����

�������� ���������� ����� ������� ���������� ��� ����������� �� ���� ����� ���

��������� ��� ��� ��/����� ������� ������������� ����� �� ��������������� ����� ���

;!

Page 89: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������

����������� ��� �� ����� ����� � ���� �� ��� ������

�� �������� ΔTp ��� ������� �� ��� ���� �� ��� ������ ���� � � �� !��� ��

��� � ������ � ���� 8 �� 4 km � ��� ��� "���� ��� ��� ���� ���� ������� "� ��

����� �� �� � ������ �� �� ����� ������ �� ����� � ����� ������������ ���#

� �� � ���� ������ � ��� ��� ������ �� � ��� ����� � � ���� ���������� �� ���#

� �� ���� ���� �� ��$�� ����� �� ��� ������ �� ������ � �������� �� ��� �������#

����� ���� ��� ���� ������� %����&����� ��������� �� �� ���� ���� �� �����

���� ��'��� ������ �� ��������� ���������� "��� � ��� �� � � ��� ������� (���

�� ��� ����� ������ ���"�� � ��� ����� � ������� �� � �� �������� ���#

���� ����� ��� "������ �� !���� ����� �� ������ ������ �� � ��� ���� �� ������ �

��� ����� "� �� ��� ��� ��� ��� �� ���� ��� �� � ��� ���������� ���� ���� �����

)��� �� ��� ������

3.5 Conclusion

*� ��� �� ��� ����� ������ � ����������� Tp � � $+ �������#�� �� ���� �� ����

�� �� ΔTp = 250K� ,� ����� " �� ΔTp = 200 − 250K "� ����� ���� �� ���� �� �

�� ����� ���� � ��� ���� ����� �� � �� ��� ������ �������#������ � ����#

��������� ������� ��� ������� *� ��������� ������� ���� ��� ��� ������� !����

"�� ��� �� � -����� ��� "�� �� ��� ����# � ������ ��� ,�� ��.�� ������� ���

� �� �/ ����� �� 35− 50 km "� �� � ������ ������� �� ��� �� ����� � ���������

"� �� � ���� � ������ ���#���� ���� � �� ��� �� �� �� �� �� ��� +�� ��

������ ���#���� ������� ��� ����� ����� ��� ��� ����� ��/�� �� ��� ����� ����#

������ �� � �"�� ΔTp = 150 − 200K ����� ��� �� .����� �� ���&���� ���/ �� ���

�� �� �� ��������� ��� ���" ��������� �� �� �� ��� ���� �� ������ ��0 1������#��

�� ���� �� ��� ����# � ������ ��� 2�� ΔTp < 150K � ��� �� ����# � ������ ��

� �������� �� � ��� ������� ������������ �� ΔTp = 50 − 100K �� ���� �� ���

�� �� �� ��� ����� � �� ��� � ��������� ��� ���"� � ��� �� "��/���� ������

*� ������� ���� ������ ��� ����� �� ��� ���� ����# � ������ ��� ������ ������

��� "��� "� ��� � ����� ���� �� ���� ������ �� ��� �� ���� ��� 3�������� �� � ����

������� � ��� �� ����� � �� �� �� ��� ��� � � ���� 4�� ������ �� ���� �� ����#

�� ������ ���� � ���

5$

Page 90: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

Supplementary materials�����

��������������� ������������������

����������������������

dcl2���dol��������������������������

������������������������������dcl1�����������������������

�����������

dcc���doc����������������������������

������������

dair�c���dair�o���������������������

������������������������������������

tm

ax�������������

����

ΔTp

dcl2

dol

dcl1

doc

dcc

Mm

in!M

max

Pm

ax

dair�o

dair�c

tm

ax"������

[K]

[km][k

m][k

m][k

m][km][w

t%]

[Pa]

[km]

[km]

[Myr]#�������

�$

$��

�%

&�

� %

'!�

��%

�'

%(��&#������

�������)!�� �%

*$�

$��

�%

&�

� %

'!�

��%

�'

''��$+�����

�,��������!�����*

��

%$

��

�%

&�

� %

'!'

���$�%

�'

(�--.������������!#���)�))!

��� �%��� �-

*���%$

��

�%

&�

� %

!�

��%

�'

' � '

*���%$

��&�

� %

'!'

���$�%

�'

�&� $

,��,

*���%$

��&�

� %

'!�

���$�%

�'

((�%&

�'

�$$��

�%

&�

� %

'!'

���$�%

�'

'-�$ .������������!#���))!�� �-

*'���$$��

�%

&�

� %

!�

��%

�'

����-

*'���$$

��&�

� %

'!�

���$�%

�'

�/�'�

,��,

�%$��

�%

&�

� %

'!'

���$�%

�'

''�-%0�����������������1���������!

#���))!�� �-

* ���%$

��&�

� %

'!�

���$�%

�'

�%�&

�%

�&%��

�%

&�

� %

'!'

���$�%

�'

' � -0�������������������������

����������!

#���)))!�� �&

�%�

�&%��

��&�

� %

'!�

���$

��

��

%�/-

*%���&%

��&�

� %

'!'

���$�%

�'

(�'/

�(

'$$��

�%

&�

� %

'!'

���$�%

�'

/��&

)�����������������!����������

������!��������������!#���)2!

�� ��

�(�

'$$��

�%

&�

��

%

'!'

���$�%

�'

&�/(

�(�

'$$��

��&�

� %

'!�

���$

��

��

(�$%

*(��'$$��

�%

&�

� %

!�

��%

�'

�&�

*(��'$$

��&�

� %

'!�

���$�%

�'

(�-&

*(��'$$

��&�

� %

'!'

���$�%

�'

'��-

*(��'$$

��&�

� %

'!'

���$�%

�'

%��&

,��,

*(� �

'$$

��&�

� %

'!'

���$�%

�'

�$�-&

*(��'$$

��&�

� %

'!'

���$�%

�'

�$�-

*(��'$$

��&�

� %

'!�

���$

��

��

�'�(&����� �3%���3����

� �%

�-

'%$��

�%

&�

� %

'!'

���$�%

�'

-�(&

+���������

���!#���)2!�� ��

�������

�������

������

� ����

������ �

��

����������������������������������

�����������

���������� �!��"#

��

Page 91: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Partial melt composition for selected reference models

Time: 28.77 Myr

Time: 17.48 Myr

Time: 8.44 Myr

Partially moltenhydrated mantle

c

b

a

ΔTp = 0K

Page 92: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 8.00 Myr

Time: 11.82 Myr

Time: 17.02 Myr

Partially moltenhydrated mantle

Drydecompressionmelting

c

b

a

ΔTp = 100K

Page 93: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 10.57 Myr

Time: 14.83 Myr

Time: 20.68 Myr

Partially moltenhydrated mantle

Partiallymolten crust

Dry decompressionmelting

c

b

a

ΔTp = 175K

Page 94: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 3.10 Myr

Time: 3.94 Myr

Time: 6.47 Myr

Dry decompressionmelting

Partially moltencrust

c

b

a

ΔTp = 250K

Page 95: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Alternative model B4h at ΔTp = 200K

Time: 2.42 Myr

Time: 6.04 Myr

Time: 7.15 Myr

Time: 9.37 Myr

Time: 10.86 Myr

Time: 12.47 Myr

Retreting anddelaminatingslab

Lithosphericdripping

Two-sidedsubduction

Weakpassive margin

Subductioninitiation

c

b

a

f

e

d

ΔTp = 200K

Page 96: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 2.42 Myr

Time: 6.04 Myr

Time: 7.15 Myr

Time: 9.37 Myr

Time: 10.86 Myr

Time: 12.47 Myr

Dry decompressionmelting

Partially moltenhydrated mantle

Partiallymolten crust

c

b

a

f

e

d

ΔTp = 200K

Page 97: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Evolution of topography for selected reference models

27.22 Myr24.32 Myr17.48 Myr13.59 Myr8.44 Myr

Topography [km]

ΔTp = 0K

19.48 Ma16.52 Ma13.80 Ma2.19 Ma

Topography [km]

ΔTp = 100KΔTp = 0K

Page 98: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

20.68 Myr18.89 Myr14.83 Myr9.56 Myr2.16 Myr

Topography [km]

ΔTp = 175K

6.47 Myr4.51 Myr3.10 Myr1.76 Myr0.04 Myr

Topography [km]

ΔTp = 250K

Page 99: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

Detailed analysis of marker volume change by composition

0

5

10x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

hydrated lower crust

i

0

0.5

1

1.5

2x 106

0 5 10 15 20 25 30 35

hydrated upper crust

f

0

1

2

3

4x 106

0 5 10 15 20 25 30 35

new crust(8-47 km)

p

0

1

2

3x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

quenched mantle

m

0

2

4

6x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

serpentinised

n

0

5

10x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

shear zone

o

0

5

10x 106

0 5 10 15 20 25 30 35

hydrated mantle

l

3

3.5

4

4.5x 108

0 5 10 15 20 25 30 35

asthenosphere(105-680 km)

k

2

4

6

8x 107

0 5 10 15 20 25 30 35

lithosphere(8-105 km)

j

0

1

2

3x 106

0 5 10 15 20 25 30 35

lower oc. crust(8-20 km)

h

0

5

10

15x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

upper oc. crust(8-20 km)

e

3

4

5

6

7x 106

0 5 10 15 20 25 30 35

lower cont. crust(8-47 km)

g

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4x 107

0 5 10 15 20 25 30 35

upper cont. crust(8-47 km)

d

0

2

4

6x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

sediment(8-20 km)

c

0

0.5

1

1.5

2x 106

0 5 10 15 20 25 30 35

sticky water(0-20 km)

b

0.5

1

1.5

2x 107

0 5 10 15 20 25 30 35

sticky air(0-20 km)

a

in given range+250+200+175+150+100+50+0

model time [Ma]

volu

me

from

mar

kers

[km

3 ]

������ ��� ������ �� ���� �� ��� �� �� � ��� ��� �� ���� ���� ���� � ���� ��� ������ ������� ���� ���� ����� � ��� ��� ��� ���� ��� �� ��� �� � �� ���� ΔTp = 0−250K� ����� ���� ������ ���� �������� ����� ����� �� �� ������ ��� ����� ����� ����� ����������� ���� � !������ �� " ��� !������ ���� " �#����� ���� �� ���� �� ��� $ ��� � �� �������� ������� � � ��� ���� ��� ������ ΔTp�

��

Page 100: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

0123456x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

hydrated lower crust

i

0

0.5

1

1.5

2x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

hydrated upper crust

f

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

new crust

b

0

5

10

15x 106

0 5 10 15 20 25 30 35

quenched mantle

l

0

0.5

1

1.5

2

2.5x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

shear zone

c

0

1

2

3

4x 107

0 5 10 15 20 25 30 35

asthenosphere(105-680 km)

k

0

0.5

1

1.5

2x 107

0 5 10 15 20 25 30 35

lithosphere(8-105 km)

j

0

1

2

3

4x 103

0 5 10 15 20 25 30 35

lower oc. crust(8-20 km)

h

0

2

4

6

8x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

upper oc. crust(8-20 km)

e

0

2

4

6

8 x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

lower cont. crust(8-47 km)

g

0

2

4

6

8

10x 105

0 5 10 15 20 25 30 35

upper cont. crust(8-47 km)

d

−1

0

1

2

3

4x 1011

0 5 10 15 20 25 30 35

free water

m(8-47 km)

0

1

2

3

4

5 x 104

0 5 10 15 20 25 30 35

sediments(8-20 km)

a

in given range+250+200+175+150+100+50+0

model time [Ma]

volu

me

from

mar

kers

[km

3 ]

������ ���� ������ �� ���� �� ��� �� �� � ��� ��� �� ���� ���� ���� � ���� �� �������� �� ���� ������� ���� ���� ����� � ��� ��� ��� ���� ��� �� ��� �� � �� ���� ΔTp =0− 250K� �� ��� ���� ������ ���� �������� ����� ����� �� �� ������ ��� ����� ����� ����� �������� ��� ���� � � �� ���� �� �� � �!����� ��"� �� ���� �� ��� # ��� � �� ����������� ���� � � ��� ���� ��� ������ ΔTp�

��

Page 101: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

References

�� ������� �� �� ��� �� ������� ��� �� �� �� ������ �� �������� �� ���� �������

�� �� ����� � �� � ����� � ������� �� ��� ����� ������� ����� ������ !!"#$%

&'(')*&'()+� &!!,�

�� ���� � ��� �� ���� ����� -� ����� .�� ����� �� . ����� /��� �� � ��� 0��� �

��������� 0� �� ��1 � 2���� ��� ����� ������� ������������� &3'"&$%)!*#+�

&!!)�

�� � 4 �� �� �� 5 ����� 6� �� ���4���� ��� .� �� 6��� � 7 � 8� 2 ����� ���7

�� � �� 2���� 9� /��� 0% ��� �������� �������� ��� ����������� ��7 �� �����

���� ������� �� ����� ������� ':"#$%&+('*&&+!� &!!!�

/� ������� 6� .����� �� 7�� �� �� ��� �� 5������� ��� � �� ����� �������� ��

� ����� �� 1��� �������� ;�� �� ����� ��� ������� ����� ������ ,&&%'#*,,�

3+&)�

<� .� 2���� =����� �� 8 �� ������ /��� �� ��� �� �����*.��� ���� �� �� ����

���� � )#",$%):*:3� 3++,�

�� 2������� �� >������ ��� �� 2������� ���1 �� ����?��� ���� ��% � 7� 1 ���� ��

/� ��������� �� � ��� �� /��� ��;���� �������� ����� ,##"'?,$%)*&&(� 3++!�

2� 2��� � ��� �� � �� �� 8� ���� 2������7��� �� <��4� ��� .�� ����� 0� 8� ��� ���

������ ���� �� ���� ��� ���� ��������� 7��� '� ��� � &+)*&3:� �>@ < � � ��

�� ��� &!!)�

�� 2������� 6� 5��� ����4� .�� ��� 2� 8 ���� �� /������ ���7 ���7 �7 ���� �� ��?

��� �� ���� �� �� ��� /������ 2������ � �� �� ��������% ���7��� � �������� ���

� ������ ������������� ������� �� ���������� ���� � 3+"!$%&,+)*&,3,� &!!(�

�� 2��� ��� �� ���� ����� >� �� >���� 4� 8� �� �;� <� =� ���� �� �� �� �� �� �� ��

.��� � �� /� 5��� 8� 6� > ���� ��� /� �� 8��4� �� � ���������� �� �� ����� �����

���������� ����������� �� � �������� ��� �����% �� 7������� �� �� A����4� ���

� ����� ��� ����� ������� ������������� &(!"&$%'(*),� 3+&3�

�� �� 2����� <�� � �� ����� ����� � �� ��� 7������� ����� ������� �� ����������

��� ���� �� ������� 3+"'*,$%&##*3&&� &!(,�

>� �� ��7� �� =� �� � �� �� �� ���� � �������� ���� � 3+"&&$%!:'*!::� &!!3�

()

Page 102: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

�� �� �� ���� �� ��� �������� ���������� ����� �� �� ��� �� ���� ���

����� � ����� � ����� �� ���������� �������� �������������� �����

� !"���#� � $� %��&�� �� �� '(�)��� '*�+ ���� ���� � *�����**& ���&��

�"+�" ��� #���� ,-! "���� �* ����*��� �� ������� ������� ������� .�����

��/����/�� �0�.�

1� 2�� ��� �� � %��&�� 3��*& 3���� (*"�� �� ��� �� � ����-����*"��� ,! "���� �*

����**�� �((��� �� � ���� � �� ������� � (�����

1� 2�� ��� �� � %��&�� 1������ �4 �"+�" ��� �� *�����(���� �&��� � � ���

5�� ��+���� ,! �������� ��� �* ����**��� � ���� �������� �"+������ 4��

("+*� �����

6� 2��7���� 5� 5��*�((��� 5� 1�&� �� !� 1"+����� 8"���* �� �9�"����� �"���

�� ��� ����" ��� � ��� 3��� 5�*+��� %�����-%������� ������ ����� ��

�������� ������ ������� ,���0���,/��/�� �0�.�

:� 2"���� ;� !�*�)� �� �� �� ���� 5�� ��+��� �������� ��<"� �� ��(�����

��=���� �(���*��� �&(��� � ���� �������� �0�.�

� %��&�� 5�� ��+��� ����&��� �� 6� �(�� �� ����*�� � ���� �������� �/

����..��.�,� �0�.�

� $� %��&� �� !� �� ;"�� 6���� ������� �-+���� ���)��-�- �** ������ >��� ����-

������ ?���-��=��� �� � ����� 4�� ����*�� ���*��� �* @�>� >��� �����*& �����+*�

����(��� (��(������� ����� � ��� ����� �� �������� ����� �� �.0�.����,�,���

�00,�

� $� %��&� �� !� �� ;"�� 1�+"�� ���� ������� � ������ 4�� ����**�� �"*��(����

��� �-�*����-(*���� ������-�� ��� �* (��+*���� ����� � ��� ����� �� ��������

����� �� ��,��-.���,��0/� �00A�

� $� %��&�� 1� �� '���� �� 8���� '� $� '�+�*��� �� '� �� �������� 5*��� �� ��� �

� ��� 3���� ��������� +& (*"��-��" �� �"+�" ��� ��������� ������� /�A�A/AA��

������/� �0�/�

1� %����� �� �� �� 1� �����*� B�����(���� ������ �� ' 35 4�"*��� ���(��� �� �����

�4 �"+�" ��� #���� ����� �� �������� ������ ������� �,�������/0/�/�,� �00/�

�� 8� :���*��� �� ��� ��������� �� ��4������� >��� �� (���" �� �4 (*���

��

Page 103: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

���������� ���������� ������� ��� ������� ���

�� ��������� ����� ������ �������� ��!�� ����� ��������� ��� ���� "#���

�� �������� $� %� ���&�' (� ��� � )� (�* �� +� ,����� -� .� /����� +� -� ����0

�� �� �� %� 1�*� ���� 2�&!����*��� �� �&����� &����� �� !�*&��� �����������

3��& ������� !������� �� 4�&�������� ������������ ���������� ���������� ��" �

�5���5� "##��

�� �������� 6� ��� �� �� -� 6�������� 2���&�� ������� �3 ��� ����� �� ���

!����������� �7!�������� ����� �� �������� ������ ������� ""���" ����� "#�#�

�� ���4&��� 2'� ����������� �������0���������� �������� �� ��� $������ ������ �*�0

������� �8� ���� 3�� 8������� �� ���������� �������� ����&�� !���� �� "##+�� ����

������� ������� ����� ��9����" "##��

:� ;� ���� ;� �� ��&!���� �� :� <� .��=���� $�*&� 2�������� �� ��� %�8���!&���

�3 1����� ����������� ��*��� ���������� ���������� ""�� ���9���� ���

�� -�*!��� 1� ,������� �� -� �� +��������� ��#> 0 2�&!����*��� ���� �� ������ ��

��� +����� �3 ��� ������ ;� .� 1��*���� � ���� �������� � ���������� ���!��� �

!���� "9���#�� ����8��� �&���� �& "##��

2� �� -������ +� ?��'� ?� -� $� 6�*� �� -� �� @��2�������� %���&������� ��

��������� �3 �������� ��*�� ��*�� �� ���8��������� �������������� ����� ���������

��� ����9" "#���

2� 6����� �� $� -� 2��4���� 2�'�� � ���30���������� &� ����� �3 ��� &������ ������&��

2�� ��A*���� �3 ���0�� �� ���8������ �� ��*���� ����4���� ������*����� ������ "#"

�" ��"���� "##�

�� /� +� 6������ �� �� :� �����*����� �&!����&��� 3���*��� �3 �������� 22.

!�*���� ����� ��� ��*����� &����� �3 ��� ?�������� ���������� ���� 1�*�� �3�����

���������� ������� �9���" ����9 �9�

1� ,������� �� �� -�*!���� 2���&�� �8��*���� �3 ��� ������ 1��*��� ������� ��

A*��*������ �3 !���� ���������������� ����� �� �������� ������ ������� ">#���� �

�>9���� "##��

%� +�6����� �� +� -� ?��4��� 2�� @��*&� �� ��&!������� �3 +��� .������� ��

�7������� �3 ��� ,�����!����� ������ �� ��������� "�� �>"9�>� ����

��

Page 104: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

����� ���� � �� � ��� ���������� ����������� �� ����� ���� ���������

�������� ���� !��"#���� $�"$�

%� %� &�����' � (� )� *���� ������� � �������� �� &����+�� ,������ ����

���! ,�������� ��������+���� ������ ��������� ������ �� ����� ��������

$�-!$./#0"�� $�""�

*� 1���� �������� �� ��� ����� ����,��� "//��

�� 2� ������� � �� &���� 34���������� +��� 5��� +��,��� ��� ��������, ��+�

� ����6����� ��� �� �,� ,������� ���� �� ������� ������ ��������

"70�"#� !07"#0-/� "//.�

3� ��8��� (� *���� �� 9��5� � %� %� &�����'� ��+������ ������ � ��� &�����

+��! :��,�� ���� ������� �4��������� ������� ""7�0#� !$�/#$$/� $�"��

3� ��8��� (� *���� � �� 9��5� ;������, ������ �� &����8��� � &����+��

������� ��������� ������ �������� $��$ !�$$#���� $�"��

3� ��8��� (� *���� <� ��=5�� � �� 9��5� *������ �� ������ ����� � ��� �����!

� ,������� ������, ������������ ��������� �������� $-"!"/.#$$�� $�"��

1� � ��������� >� ;� ;������ � <� �� ;������ ������� �� 3���?� ����

����� ������� ������ ��������� �������� "$-�"#0 !./#"�"� $��0�

>� (������� � *� ����+���� ����������� ;�+���,� @�������� &����� $� �������

$��$�

�� � �� � �� 9� ����� ;������ �������� � ��+ +��'��A! � ��������

�� 0�> ������� ������ 5��� �+��������� ���� �� ������� ������ ��������

0�$�"#$ !$-#0-� $�""�

�� � �� � ����� ����� ����� ��+������! ��� �� ������B ���� ������

�� ���� �� ������� �������� ���" !"/�#$"/� $�"$�

�� � �� � �� &� � �� 9��,� &��� �������� � ��� ���� 3���! %��������

������� +� ����,�� � +����� �� ��+������ ������������ ������� "�0�"#$ !$"-#

$0�� $��.�

�� �� ) <����'� (5� ����� �� ����� ������� �����! &���� � ����

�������� � ���� 3���� ������ ������ �� ������� 0"��"� !"".-#"$�/� $�"��

..

Page 105: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

�� �� ��� ��������� ��� ������� ���� �� �� ��� �� ������� �������� ����

���� �� �������� ������� ��� ��������� ������� �� ����� ��� � �������� ��

� !"#$�%# &� &�''�

�� �� ��� ��������� (� ������� )� *���+��� �� �� �� ,�-�.� ������� ���� �� ���

����� ��� ����/����� ������� +��� ��� �� )������ 0��� ,������ ������%�������

������ ,������ ������� -���� )��������� ���������� ��������� '#'�#!"'1#%&''�

&��$�

2� �� ������ ,� 0� ��� ���� �� )� ,� ��� � ���� ������ �� �� ���� �� ��

)������" ���3���� �� ����������� +����� �� � ����� +����� ��� � ���

����� ��� ������ �� ���� '&'�'!"'%'4� '55$�

�� ����� 6� �� 7�.�� �� )� ������ ������ ���-�� �� ����� ���������� +������"

2�+����� +������ ������ �� �� ��� � ��� ����� ��� �� ������ '5&%'5#��!"'%&��

&�'&�

7� �� (��������� �� 8� �� 7����� 8� *�.�� �� (� )� 8�-��� 9����� ������������

�� :�����+� 6�����+� �� ,�������+ �� *�� ,�������� �� �� 0����� ������� '$#

�#�� !"$� %$�1� '5�$�

7� ;��� 6� �� 7�.�� ,� �� 6����.� �� 0� ��������� 8�����+������� ��+�����

+����� �� ������� ���-�� �� ����� ���������� +������� ������� �� ����������

��������� ���� ��� �� ''4�5!"$�4&%$�54� &�'#�

45

Page 106: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer
Page 107: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Chapter 4

Early Earth plume-lid tectonics:

A high-resolution 3D numerical modelling

approach1

Crustalconvection

Small-scaleconvectionarea

Eclogitedrips

> 3.2Ga

Page 108: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

�� ��� ������ ��������� ���� ��� ������ ������ � ���� �� ��������� � ��� ��

���� ��� � ���� �80− 100Myr� ��� � ���� � ���� ������ ������ ���� � �����

�� ����� �� ���� ��� �������� �� ���� �� �!� � ���� �∼ 20Myr� ��� ����������

������ ������ ���� ������ � ���� �� ��� ���� ��� ���� � �������� �� ������

�� �� ���� ����� ��� ��� �� �������" #�� ���� �� �������� ���� ��� �� �

$��� � ���� � ������� ���� �� ���� � ������ �� ������ ����� ��� �����

� �� ����� �� ������ ������ ��� � ������� �� ∼ 100Myr"

4.1 Introduction

%� ��� ��� �&�� ������ ��� ������ '������ ��� ���� (���� )����� * ����� �� �����

��� ��� * �������� ��� ��� �� �����������" )� ��������� ���� ��� ��� ��

��� ����� ��� ������ �� �������� ���� ��� ����� � � �� � ������ � ��� ���� ���

� ������� �� ��� � ��� ���� ����� �)����� �+&&�" %� ��� �� � �,�� ������ '

-�� �� .�� ������� ��� ��� ��� ���� � �� ������ �� ��� ��� �������� � �����

��� � ��� /#�� ������ � ��� ��� �� ��� ����0" #�� ��������� ��� �� �� �� ��

���� ��� ���� ����� ���������� ��� ��� ��������� ������ �� � ��� ��������

������ ��� 1�����2��" 3�� ����� ������� ����� � ��� ��� � �� �������� ������

��� 1����2�� ��� ��� 4����� �'2��� �� � " !5�5 !5�67 8�9� ��� :���� !5�;7

-����� ;� ��� ��������� ����� �� ��� �� � 4����� > 3.2Ga"

<�� �� ���������� ����������� �� ���������� ������ �� ����� � �� �����

����� �������� � �� ���� 3.2Ga �-������ ��� '����� !55+7 =�� >��������

�� � " !55+7 ?��� !5�6� ��� �������� ������ ���� �� ��� ������� �� ������ �

���� ��� ������� ������� ��� � � ��� )����� ��� �� � 4�����" :��� � ������

� � � ��� ����� ������ �� 4����� ���������� ������� � �� � ��� ��������

�3��� �� � " !55@�" #�� ���� � ������� � ������ ��� ���� �� �� � 4����� ��� �

����� ��� ��� ���� ��������� ���� � ���� ���� ��� A�� ��� � � �� ��������

��� ��������� ���� �� ��������� �� ��� �������� �� ���������� ���������

��� � ��� ���� �� ���� ��� � ��� �� ����� �� ����������� �� 4����� ����

������� �-������ ��� '����� !55+7 =�� >�������� �� � " !55+7 ?��� !5�6�

��� �������� ������"

<�� ��� ��������� �� ������ ��������� ���� �� ���������� ����������

* � ��� �������� * � ��������� � ���� �� ��������" #������� � � ������

,!

Page 109: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

�� ��������� ��� ����� � ����� ���� �������� �� ������ �� ���� �����

�������� �� ������� ���� �� ������� �� ������� �������������� ������ ���

��������� ������ ����� �� �������� ����� ���������� � ��� ����� ������

�������� ��� ������� ����� ����������� ����� �� ������ ���� �� ���� �������

�� ������������ ������ �� ��������� ���������� ������ �� ��� ����������

� ����� �� ���� !""#$ %���� �� ���� !"&#� �� ��������� �����'� (����� ���������

������ � ������� �������������� ����� �� ��)��� ���� ����������� ��������

�������������� ������ �*+��� �� ���� !"&#'�

*������ �,���� ������ ���� ������� ��� �������� �� ������� (����� ��������

-�� �.������ � ��� ��� ��������� ���� ��� (����� ����� �� �� ������ ����� ���

����� �� ���������� /��� ����� /� 0������� !"&"$ 1���� �� 23����� !"&4�

!"&#'� ����� ������� ����� ���� ��� ��� ������ ��� ��������� ����� ��� �����

�������� /��� ��� ��������� �� ��� � ����� ������� ����������� ��� ���� � �����

����� ����������� ��� �� �� ������ ������ �� ��� �� �2����� �� 5����� !""6'�

/���� ������� ������� � ������ �� � ������ �� � �������7�� ����� ����� �� ��

��� ������� �� ����� ������ �� ���� �������� �1��� �� 8���� &99:$ ;�����

�� 1���� &99<$ %����� !"&4�� �� ��������� �����'� ��� ����� ������ � ����

����� �������� ��� ������ �� ����� ������ �� ���� ��� ����� �.������� ������

������� ����� ������ ��� ��� ����� �� ����� ������� ���� �� ������� � ����������

����� �*������ �� ���� &99!$ *���� �� ���� &994$ (��� �� �������� !"&!'� �� �

���������� ���� ��� ����� ����������� �� ���� �������� ��� ���� �� ����� =��

�1���� �� 23����� !"&#'�

��� ��������� �� ����������� �������� �������� ������� �%���� �� ���� !"&#'� �

���� ����� ��� ��� ����� (������ � ��� ����� ������ ��������� �� ����� ��

���������� � �� �������� �� ����� ������� �� �� ��>�� ���� ������� ����

������ ��� ���� ���� ����� ��� 1�� �� 5���� !"&!'� ��� �� ����� ������ ��

������ ����� ����� ����� �� ������� �������� �� ���������� ��� (�����

�������� ������� ����� ��� ��� �������� �� /� 0������ �!"&&�'� ��� ����

������ � ����� ����� �������� ����� ������� 3Ga' ��� ����� ����� ������ ��

���� ����� ����� �������� ?������ ����� � ������ �� ������� ���� ���

����� ����� �� �� ������� ���� �������� ����� �/� 0������� !"&&�'�

@���� �� ��� �!"&4' �� *+��� �� ��� �!"&#' �������� ����� ����� �������� �������

!A� ����� ���� ������ ���� ������ ����� �� ����� �� ������������ �����

���� (����� ������ ������� ��� ��������� ����� ���� �� ��� ������

9B

Page 110: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

������ ������ ��� � ������ ��� ����� �� ��� ������� ������ �� �����

�� ��� ����� ������ ���� ������� �������� �������� ���� ��� ������� ������

����� ������ ������������ �� ����� �����!��� "����� #� ���!���!� ����#����

�� ���������� �!�����

$������ �� ������ "�������� �������� ��� "����%�����"���� ���������� ��� ����%

������ �����%�������� �� ������ &� �������� ������� �""������� �'���! ��

������ ��()�� ��������� � ��������� &� ���%��������� �������%���������������

�������� ������� � ��� � ������ �� �������� ��� "����%� �������� �"�����

� ��� ����� *����� +� ��� "������ $��"��� & �� �!������� � ������ ������ #�%

����� ��� ��� ���#�� ������� ����� ��%���#���� "������%�� "���� �������� ��

������� "����%� �������� ��� �������� ������ "������� ���"������� ���� ,��%

�������� �!�� &� ����� ��� ��"��� "������%�� ������%���������� "���� #���%

��� �������� +� ��������� ��� ��� ���� ��� ����� �� ��� "����%� �������� �����

������ #��� �� ���� �""��"���� &� �������%��������������� ����� ��� �����%

���� ����������� ��������� �����"���� �-������ �� ���� ��(). /0�!� �� ���� ��(���

4.2 Methods

4.2.1 Model design

+� ���� �� �!������� �������%������� "�������� �������� ��� "����%� ��������

�� ������� ������ ���� ��� ������� ������ ���"������� �������� �� �1����

� ����� �� &� ���%��������� �������%��������������� ������ +� �������� ��

$��"��� &� �� �1������ "���� ������� ������ ���� �""�� � ����� ����� � ���� ��

������ &� � ���� �� "����%�����"���� �� �����%������ ���������� �-������ �� ����

��(). /0�!� �� ���� ��(�. 2����� �� ������ ��#���� ��� "�#��������

� ���� ������� �""�� ������ �� ������� "��������� � ���� ����" �� 520 km �

������� ��� �� �"�� ��� #��� ������� �� ���� ��������� ����������� "���� ����"

�2�� )�(�� � ��"�3� �� "��!��� ����"��� �� ��� "���3�� ���������� �� �������

�� � 35 km ���, ����� �� !����� ���"����� � �#�� )��� �� ��" �� ��� ��������"����

�������

4� ��� ��� &� �������� �������%��������������� +&*5�+/ ��� ������ �� 6����

7)

Page 111: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Partially moltenMagmaticSolid

Mantle

Crust

Supracrustal

Hydratedperidotite

Dryperidotite

Lowermafic ~

Lowerfelsic ~

Uppermafic ~

Upperfelsic ~

Sediments

Plutonic ~

Volcanic ~

Plutonic ~

Volcanic ~

Resolidifiedperidotite

Serpentinisedlithospheric ~Hydrated

peridotite

Lower mafic ~ (gabbro)

Upper mafic ~ (basalt)

Sediments

Asthenospheric ~, dry

Lithospheric ~, dry

Lower felsic ~

Upper felsic ~

Water

Air

23132000

1600

1200

273

800

Temperature [K]

520 k

m

520 km

520

km

a

b

Page 112: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

��� ����� ���� �� �� � ���� �� � ����������� ���� � �� ������ �� ���

������� �� � !���� �" ��#��$ � $�������%� & ��� ���������� ����� ��� ������ ���

� ���� ���� � �� 17.5 km �� ��� ��� �� ������� �'$� � � ��� �($����� ��

�� ���������� ���� � ����� �� �� �� ���������� '�)� ����� �� ���� �� ���� � ����

������ �� '�)� ����� ������ ���* +�� �� �� ,�� ���-��

.�� #��� �� ������ �� � � ��� ���� �� $� ��� �$$��'�� 20 km � ��� '��� ��

'� � )���� � �� �� ��� � �% �� �� ���� �� � ����� ���� ������� ������ �� �

�/��'�� �� ���� ������ & ���� � ����� '���� $��'� ����� ��' ��� ���' �

��� '��� �0�� �� ���� ����* ! 1#� �� ���� ���2�� � ���#���� '���� ��'$�������

� 2313K � $����� ��� �� ��� ���� ������ �� �� � 240K � ���� ��� ��� $��� ��

'���� ��'$������� �� �� � ��$���

��� � �� ��'$������� ��������� � ��� '��� � ��3����� � ��� .����� 4���� �/��$�

��� -* ! 1#� �� ���� ����� ���2* 5��� ���6�� .���� � � 7��1���� �� ��� ������ �

���#���� '���� $��� �� ��'$������� � Tp = 1823K �� ���� �� �� ��� > 1.5Ga�

7��#��� �'$�� � � '���� � ������� � �� ���� ��� ����#�� � ����� /�� �

�� ���� �889* �� ������� ������ ���� ���� ��� �$$�$� ��� � '� ���� � �����

� ����� .������ ��� ����� ��� � �� � �� ������' � �� � )(�� ��'$������� �

273K �� ��� �$� ��� �$$��'�� 10 km ��#� � ��'$������� ���� �� � 100K/km� ���

�(� 20 km ��#� � ���� ��'$������� ���� �� � 5K/km� ��� ���� � ����� � 10 km

�� ����� �� � ��'$������� ���� �� � 47K/km ���� �� � ���� � ������ �����

�� ������$��� � '����� �� � ����$ ����'�� � ��$����� ������� �#��� ���� ��

� ���� � 1� ������ ��� ������� �� '���� �����# ��

& ��� � �� '��� � ���$���� � ��)�� � ���� ����'���� � �'$� � ����� 7��

�#��� � ���$���� � ���� � ��#��$ �$������� ������ ��� ����� � ��� '���� ���

������$��� � '���� ��� � � ��� �� ���� � ��'$������� ���� �� � 0.5K/km �� ���

'���� $��� �� ��'$������� Tp � ������� �� ΔTp = 267K �'$���� � $������

��� �������� '���� $��� �� ��'$������� Tp = Tinitial = 1556K� . $����( �� �

������� ���� '���� ��$��� $�)�� � ��)�� ���� �����$�� � ��� '��� � ���

��� $����� ��� '���� $��� �� ��'$������� $�)�� � �� � �� ���� � ����'�� ���� �

�� � 0.5K/km� ��� ����'�� 40 km �� ��� '��� ���' ��#� � ����$ ��'$�������

���� �� � '��� ��� ������� ����'�� ������ �� � � 2313K� .� � � ��

����'�� $�������� ��� '����� � ������$���� � 40 km ��� �� � ��� ��� � �� �

��'$������� � 2313K �� ��� ����� � ��� ���� ������ �: �� ������

8;

Page 113: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

�������� ����� � �������� ������� �� �������� ������� ��� � ��� �����

��� �� ������� χvolc� �������� ����� �� ��������� ����� �� ������� ��

� ������ 5 − 20% ������� ������ �!��� �� �� ��� ���� !���� ���� ���� �����

��� �� "����� ������� �����#�� $� �� ������� ��� ��##��� �� %��� ���

&�� �'(�)� �� �� ������ �� � 100%� & ��� �� ���� χvolc ��!� 0% ���

100% �� *��� ��'�� *�������� �� ��� +�������� �� �� �� Mmin = 2wt% ���

Mmax = 4wt%� ,�� ����� ������ ���������� !�-���# ��� ������ �����# ��

�������� �� *��� ��'�� ������� ��� ����������� ��� �� �� �� yeroslev = 10 km

��������� ysedilev = 25 km� !��� �� �� ��� �� .+� �� ywaterlev = 20 km� & ��

1018 Pa s ��� 1024 Pa s �������� �� ��!� ��� ���� �����/ ��������� ������ �� ���

���� � ���������

14 ��/��� ���- ���� ���� ��������# 0����-� ���1 ��� 0����-� !���1� �� �������� ��

���� ����� ��� ��������� ����� ���� �� ,�#� ������ ,��� ��/��� ������������� 2�!

��!� �� ������ �� ��� ���- ����� " !� 3����4�� 2�! ��! �5������� ���6� ��

������ �� ������� ��� ���� ������� �������� *� ��!� ����� ����!� � ���#������

"�75 2�! ��! ��� ��� �� !� ����� ����! � ������� ����� ��� �� !�� ������ 2�!

��! �5������� ���6�� 7 *��� ��� �� � ��� ����������� � ������� �������� ����

*��� ��7� �� ����� ������ ���� ����� ��� �������

,�� � ��� ������ ���������� � �� ������ ������ � ������ ' ��� ,����� ���

8��� ��� ������

4.2.2 Reference model series

"�������# �� 7�4��� � ��� �'(�(�9 ,����� ��� 8��� ��������� �� ������������ ��

������ �� ����� �������� �������� ΔTp �� �� ��:�� ������� !���� ��2����

���������� ��� ���� �������� �� ���� ��������� "� ��#� ΔTp = 250K �� �����

� ���� �������� �� ������� *� +���� �� ���� ������� ������� ! ��� ��

����� �� ������ �� ����� �������� �������� � ΔTp = 267K !��� �������# �

��������� ����� �������� �������� � Tp = 1556K�

*� +���� ���� �������� ����� ! ���� �� ������� ����� � �������� ��� ����

����� ��#������ �χvolc� �� !�� �� �� ������� ����������� � �� ���� ��� ��!� ������

*� ��2��� � �����#���� !�-���# ��� �����# ��� ���� �� ������� "�� �����

�;

Page 114: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ��������������

����������

���������

������

��������

� �������������

��������

����������

�� ����

��� ����

������

�����������

�������

�� ����

ρ0

k������

�H

r�

HL

φ0 �

φ1

γ0 �γ

1σcrit

Cp

[MPa −

ns −

1]�[−

]�[kJ]� [

Jbar ]

[kg

m3 ]

[K]

[W

m·K ]

[μW

m3 ]

[kJ

kg ]

[−]

[−]

[MPa][

kJ

kg ]

�����

���

�����

��������

���������

��������

������

�� ����

�!���

������

"��

#����$���

%�

���B

D=

1.97·

1017�

n=

2.3�

Ea=

154�Va=

0

&''&

2600

2400

2750

2400

2700

2400

3000

2900

3000

2900

���

�����

���

�����

���

�����

���

�����

���

�����

0.64+

807

T+77

&''&

1.18+

474

T+77

0.64+

807

T+77

1.18+

474

T+77

&''&

(������

&''&

)����

&''&

2.0

2.0

1.0

2.0

1.0

1.0

0.25

0.25

0.25

0.25

*300

*300

*300

*380

*380

0.0,0.0

*0.200,0.0

*0.200,0.0

*0.0,0.0

*0.0,0.0

*

0.0,0.5

*0.0,0.5

*0.0,0.5

*0.0,0.5

*0.0,0.5

*

0.03

*0.03

*0.03

*0.03

*0.03

*

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

+�

�������

����

+�

���� ����

�,���������

��������

����

,�������

�-�75%�

���B

D=

4.80·

1022�

n=

3.2�

Ea=

238�Va=

0

&''&

2950

2400

3000

2900

3000

2900

2900

2400

���

�����

���

�����

���

�����

���

�����

1.18+

474

T+77

0.64+

807

T+77

1.18+

474

T+77

&''&

0.64+

807

T+77

(����

&''&

)����

&''&

0.5

2.0

0.25

0.25

0.25

0.25

0.5

1.0

*380

*380

*380

*380

0.200,0.0

*0.200,0.0

*0.200,0.0

*0.200,0.0

*

0.0,0.5

*0.0,0.5

*0.0,0.5

*0.0,0.5

*

0.03

*0.03

*0.03

*30*

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

-�

��� ����

������

.�������

������

/���� ��

������

.��

������%�

���B

D=

3.98·

1016�

n=

3.5�

Ea=

532�Va=

0.8

&''&

3300

2900

3300

2900

3300

2900

���

�����

���

�����

���

�����

0.73+

1293

T+77

&''&

,����

����

&''&

0.022

0.023

0.020

0.021

0.024

0.025

*400

*400

*400

0.200,0.0

*0.200,0.0

*0.200,0.0

*

0.0,0.5

*0.0,0.5

*0.0,0.5

*

0.03

*0.03

*0.03

*

1.0

1.5

1.0

1.5

1.0

1.5

��������

������

����

�����

���

"��

������%�

���B

D=

5.01·

1020�

n=

4.0�

Ea=

470�Va=

0.8

3300

2900

3300

���

�����

���

0.73+

1293

T+77

&''&

,����

����

&''&

&

0.024

0.025

0.024

*400

*

0.200,0.0

*0.200,0.0

0.0,0.5

*0.0,0.5

30*30

1.0

1.5

1.0

�������

���

���

��0

12&�3

���0

�����������

���

�������

�C

0=

C1=

1MPa������

���������

�����

�����α=

3.0·

10 −

5K

−1������������

����β=

1.0·

10 −

5GPa −

1�

�����

�������

����

������

�������������

������������������

��������������������

��������

���������

������

����

� �!���

�����"

#$%$&�

��%&�����

������ �������

�#$$#&"�#&'����

����� �������

��%(()&"�*&�������

���+������

�%(()&"�,&-������

�%(()&"�)& ���������.���

�%((/&"�0&1�������

�%(/)&"�2&.������ �������#$$#&"�/& ���������.����%((/&"�(&+���

�%(/(&"�%$&3��!

������#$$*&

��

Page 115: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

������ �� ���� �� ���� �� �� �� ��������� �� ��� ��� ��� �� �� �������� ��� �����

��� � ���� �� �������� �� 35 km�

����� χvolc [%] ε̇healing [s−1] λmelt ����� ��� ���� ���

��� 20% 10−14 0.01 ����� ��� ����� ���

��� 20% 10−14 0.01 ����� ��� ��� ���

����� 100% 0 1.0 ����� ��� ��� ���

��� 20% 10−14 0.01 ��� ��� ��� ���

�� 0% 10−14 0.01 ��� ���

��� 0% 2.5 · 10−14 0.0 ��� ���

��� 20% 10−14 0.01 ��� ���

���� 100% 10−14 0.01 ��� ���

����� 100% 0 1.0 ��� ���

����� 100% 0 1.0 ����� ���

����� ��� ���� �� ��� ��� ����� ��� ���� � ������ ����� �� ���� ������ �� ������ ���

��� ���� �����

4.3 Results

4.3.1 Reference model D100b

��� ��������� ����� ����� ��� � ���� ���� ���� � ���� ��� � ������ �� 100% ���

�� ��� !������� "�������# �� ���������� �λmelt = 1$ ε̇healing = 0 s−1� %��� �� ����

��#�����# �� �� �����$ ��" ���� �� ������ ��� �������� �� � ��� !����!���� �������

�&���� ��� '���$ ()�$ ���#��� ��# ���� �� ���� ����� �� ��� ����� ��� �� ��� ��

�∼ 200 km ����� �� �������� ��# �� ��� ����� ��� �� ��"�� ���� � *� �� ∼ 3Myr ��

����� ������� ��� ���� �� �� �� ��� ����� ��� �� ��� �� ����� ��� �� ���� �� �� ��

�� ����� � �� � � ������ ��� � �� ����� ��� ���� ��� ���� �� �����$ ��� ���� ��#

� �������� �������� �+#����� ���, ���� � �� ������� �%�#� ���� ��� +���#, �� ��"��

������ �������� ���� ��������� �� ����� �� ��� �������� ��� � ���# �� ������� � �����

������ � � '� � ��� �����# ���������$ �� ������� � ��� ������ �� "��� �� ���# ���

���������# ���� ��� �� ���#���� ���� ���� �������� �� � �� ��� �� �%�#� ���� *

8Myr$ ����#� ��� ��� ��� � �� �� ���� ���� �� �������� ��� ��� ���� �� ����� �����

��"� �� � �� ��� �� �� � ���� ��#�!����� � ����#� �� ���� �%�#� ���� ��� ��"�"���

�� ��� �� �� ���� ���� �� �� ����� �� � �� ��� �� � ��� �� ��"��� �� ��� �� ��

�����$ ��-�� ��# � �� "���� ��� ��������# ��" ��������� ������ ��� ��� �"�� ����

�� ��� �� �� �� ������ ��� ����#� ���� �������� ��.����� ����� ���� � �� ���� ��

//

Page 116: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 3.30 Myr

Time: 18.36 Myr

Time: 77.50 Myr

Time: 8.41 Myr

Time: 67.46 Myr

Time: 83.43 Myr

fe

dc

ba

Delaminationof lower crust

Delaminationalong sedimentwedge

Eclogitecurtain

New uppercrust

Eclogite dripping

Ring structurePartially moltenmantle

Overthickened crustSediment wedge

Eclogite drip Secondary plumes

Flood volcanismThickening crust

Plume impact

100% λmelt = 1 ε̇healing = 0 s−1

∼ 100Myr

Page 117: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

����� ∼ 65Myr �� ������ ��� ����� �� ��� ��� �� ��� �������� ��� �� ��� ��� ��

���� �� � � ��������� �� ������� �� 50−100 km �� ������ ��� ���� ��� �

��������� �� ������� �� 20− 40 km� ���� � ������ ��������� �� ��� ���� ��

���� ��� ���� � ���� ����� ���� ��� ������� �� 40 − 60 km ������� ��

������� !""#$% &� '�������� �� � !""#� !"()*$� � ���� ��� � ������ *�

��� ������ �+� ���� �� ��� ����� ��� � �������� �� ��� ��� � ������ �� ����

,���������-$ �.����� ���� *�� �� ������� /��� )�!�$� 0� ������� ���� ����

���� �� ���� � �� ����� ��� ���� ����� �� ��������� ������ /������ ����

���� ������ �� �� ���������� �� ��� ����� ���� *� ��������� 1��� �� ���� ��

�������� �� ��� ���� ���� *� ��������� �� ��� ���� ���� �������� *� �� ������

���� ����� ����� �� ��� ���� .���� ������ ���*������� 2����� �3�� ��������

���� ���� �� � ������� ����� ��� �� ������� �� ��� ���� ���� ���� ��� �����

���� ����� ��� 4��� ������� *� �������$�

�� 77Myr ��������� ��� �� ��� ���� ���� ��� �� �� ����� �� ���� ������

��� + ��� ��� ��� � ���� ����� /��� )�!�$� ��� ����� � �� ������� �������

�� ���� ��� ��5� 6Myr ���� ��� ��� �� ��� ���� ���� �� ������� *� �� �������

/��� )�!�$ ����� �� � ��� ����� ����� �������� �� ��� � ������ �� ���� ����� ���

�������� ���� ��� � ��� � ������� ��� ������ �+� ���� �� /��� )�!

�� )�!�$�

4.3.2 Influence of eruption efficiency χvolc

6� ��� ��� ��7����� ��� ��� ���� �� � �� ���� ���� �����$ ������ ��

��� ���� �� � � ������ ���� ���$ ������� �� �������� ��� ��1����� �� ����

��� ���� �� ������� � ����� �� ���� ��������� 0��� �������� �8������

χvolc = 20% ���� ��� $ � ����� ��� ��������� /�� ����� ��� ��� ��

����� ���� ���������� � ����� ���� ��� �� ����� ��� �+� �����

� ���� �����*�� ��� ��� ��������� ���� ������ ���� �� ���� ���� χvolc = 100%$

�� �� ����� ������ �� ���� ������� 5 − 15 km$ �� ���� ����� �����

���� ���� ������ �� +�� �� �������� �� ��� ���� ���� *� �������� �� ��� *�

�� ������� �� ��� ���� ���� �� ��������� ����� ����� � ���� *� ��� *�� ��

*����� ������� ����� �� ��� *����� �� ��� ����� �� ���� �����

���� ��� � � �������� �8������ χvolc = 0 �� �� �� ��������� ��������

("(

Page 118: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 94.62 Myr

Time: 85.47 Myr

Time: 77.96 Myr

Time: 64.01 Myr

Time: 55.14 Myr

Time: 2.53 Myr

Time: 0.72 Myr

f

e

g

d

c

b

a

Lithosphericdelamination

Eclogite dripping

Thickened crust Plutonic intrusions

Depleted mantle

Sublithosphericpartial melt

Solidifieddiapir

Depleted mantle

Convecting crust

Diapir

0%

λmelt = 1.0 ε̇healing = 2.5 · 10−14s−1

∼ 100Myr

λmelt = 1.0 ε̇healing = 10−14s−1

∼ 15 km ∼ 0.5Myr

Page 119: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 0.59 Myr

Time: 0.92 Myr

Time: 1.30 Myr

Time: 0.64 Myr

Time: 1.05 Myr

Time: 1.40 Myr

fe

dc

ba

Necking

Eclogite dripsDelaminatingold crustEclogite drips

Plume-inducedrift

Growingnew crustDelaminating

old crust

Eclogite drips

Crustalconvection

Tubular dripping

20%λmelt = 0.01 ε̇healing = 10−14s−1

5Myr

6Myr

20Myr 40 km

10 km

Page 120: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

���� ����� �� � �� ����� ����� ����� ���� ������� ������ 35 �� 60Myr �

���� ������ ���� �� �� ������� ���� ��� ��� � ����� �� ��� ��������� ��

����������� ����� ������ �� � ���� � ���������� ������� ���� �������� �� ����

���� ��� ����� ��� ���� ����� ����������� ��� ����� ���� �� �������� ���

���������� � ��� ���� ����� �� ����� �������� ���� ����� � � ��� ��������

� 40 km � ����� �� 20 km � ����� ����� ���� !��� "�#�$�

�� 60Myr � ����� ���� � �������� ������� % ��� ����� ���� ��� �� ����

����� ����� ��� ������� ������ ���� �� �� ����� �� ��� ���� � ��� ����� ����

����� ��� � ��������� ������� �� ��� ���� � ������ ��� ����� ��������

������� �� ��� &�� �� �������� !���� "�#� �� "�#�$� % ��� ����� ���� ����

�� ���� ����� ����� ��� �������� �������� ���� ������� ���� �� ������ ��

������� ������� ��� ����� !���� "�#� �� "�#�$� ����� ������� ���� � �������������

� ��� ���� ����� ����� �� ������������������ ��� �� !���� "�#� �� "�#�$�

% ��� ���� ����� ����� ������� �� ��� &�� �� ��� ��������� ��� ���� �����

�������� ��� �� ��������� � ����������� �������� %� ���� ��� ��� ' �� ���

����� �� ����� ��� � ��� ����� ���� �� ����� ���� ����� ����� ������ ����

� ����� �� ��� ������� ����� ���� �� ��� ��� ���� ������� ��� ����� ���� ��

����� �� ��� ����� !���� "�#� �� "�#�$� (�� ��� ��� ��� ���� � ����� ������ ���

������� ����� ����� ������� �������� � ��� ����� ����� � ����������� �� ��� �

�� � ��� ����������� ������ ��� ��� �� �������� ���������� ��������� � ���

����� ���� ����� �� �� � � ������ ��� ���� ��� ��� �� ������ ������� ����

��� ����� ����� ��� ���������� ���� � ��� ����� �� ��� ���������� !��� "�#�$�

)��� ��� ��� � χvolc = 20% �� ��� ����� �� ������ ��������� �� ���������

����� "�* �� !��� "�"$� ������� ���� �� ���� ���� � ��� ������� ���� 20%

�+����� �� ����������� �� ��� )� ���� 80% �+������ �� � ��� ������ ����

��� !��� "�#$ ����� ������� ��� ��� ����� � ��� ������� ���� ������� ���

��� �� �+����� �� �� 20% �� ����� ���� �� ������ ����� � ��� ����� ����

� ��� ��� �� ���� ������ ������� �� �������� ��������� �� ��� �������� ����

����� ��� !���� "�* �� "�"$� ��� ���� 0.5Myr ��� �������� ������������� �� ���

����� ����� � ��� ��� � ��� ����� !��� "�"�$�

,�� � ��� ��������� ����������� ��������� ������� � ��� ������ ��� ��� ����

������ � ��� ����� � ���� ��� ����� ������ ��� � ��� �� ��������� �����

� ������ ��� ����� � ��� ������ ��������� ��� !���� "�* � "�"$� % �������

-."

Page 121: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

��� ���� �� ��� ����� ������ �� ����� �� ��� ������ ��� ������� �� ���� ������

�� ��� �� �� ���� ��� ��� ��������� ������ ������� �� ��� ����� ����� �� ��

�� ������� �� ��� ���� ������ �� ��� �� �� ���� ��� ���� �������� ����� �� �����

���� ���� ������� �� ����� �� ���������� ���� ��� ����� ������ �� ��� ������

��� ������ ����� ��� �� ������� ���� ���� ����� ������ � �������� ���� ��� �

���� ���� ��� ������ ����� ���� ����� ��� �� ������ ����� ���� ��� � �������

����� � ����� ���� ����� ����� 1.0Myr � ��� � ��� �� ��� ���� ���������

�� ��� �� �������� ��� ���� ��� ��������� � ����� � �� ��� �����������!����� ����

����� ������ ������ ���� ���� ��� �������� ���� ��� ����������� �� ���� ��� � ��

�������� �� � ����� ���� ��� ����� ��������� ��� ��� �� �� ������� �� ��� ��������

��� ����� ������ ����� 1.4Myr ��� � ���� ���� ��� ������ ��� ����� �� �������

����� ��� ������� �� ��� �������� ��� ��� ��� ������� ��� �� �� �" ��� ����� ����

��� ����� �� ������� � ����� ���� ����� ������

4.3.3 Influence of felsic crust

��� ����� � �� ���� ������� ���� ��������� ���� ����� ��� �� ���� � ��� �����

� �� #������� �� ������ ����� ���� ���� ���� ���������� ����� ����� ��� ���

�� � ������ ����� �������� �� ���� ��� ������ ���� ������ ����� ������� ��$

�� ��� �� �� ���� ���� ��� �������� ������� ���� ���� ������ �� ����� ���� � ������

�� �������� �� ���� ����� �������� �% ��� � χvolc = 100%& �� ��� ���� �� ����

����� λmelt = 1.0 ��� ε̇healing = 0 s−1& ��� ���� ��'� ��� � ��� ���� ���� ������ �����

(� ��� $��� 3Myr ��� ���� �� �� �� ��� ��� �� ��� �����& ������� � ������� ��&

������ �� ��� ������� � ���� ����� � ����� ����� ��)� ��� ��'��� *������& ����

������ �� ��� ���� ��� � ��$ ��������� ��� ������ ������� ���� ��� ������ �����

��� ��� ������ �� �� ���� ������ �� ��� ���� ��������� ����� ���� ��� ������ ��

�� ���� ��� ����� 6Myr ������ �� �������� ��� ���� ���� ����� ��'��� +����� ���

��,� 100Myr ����� ���� �� ������ � ������ ���� ��� ������ ��� �� ���� ������

��$ ���� ��� � ���� ���� ���� ��� ��������� ���� ���� ��� �������� �� ������ ��'

�� ��'��� ����� 100Myr ��� ����� � ����� ���� ����� �� ������ ���� ����& �����

����� �� ���� �� ��� ��������� ���� ������ ��$ ���� ��� � �� ����������� ����

��������� ����� ��'��� � ��� ���� ����� ���� �� ��$ ��������� ����� ���� ���

��������� �� ��� �� ��� -��� ��� ��� ���� ���� ��� ������������� ��� ����

����� �������� ����������� .�� �� ��� ������ ���������& ��� ������� �����

�� ���� ������ ������� � ������� ����� ��������� ����� ��'��� ��� ��� ����

/0'

Page 122: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

������� ������� ����� ��� ������� �������� �������� � ��� ��� ������

�� ������� �������� � ��� � �� ������� ����� ����� � ����� �� �������� ������

�� ��������� � ������ ������� ���������

���� ����� ����� �� ! ����� ��� � � �� ��� ������ ������� ������� ��� � ����

����� �� ���� ����� � ���� ������� �� ����� ����� � ������ ��������

���� ��"�!� ������ �� �� � � ������ ������ #�� � �� ���������� ��� � � ���� ��

�� ���� ����� �χvolc = 100%� λmelt = 1.0� ε̇healing = 0 s−1!� #��� � ������ ����

����� �������� ������ ����� ���� �� � � ������ ����� ������ ���� �� � � �������

���� ������ � ��� � � ���� ����� ������ ����� �� �������� ����� �� ����

���� �� ������ ��$� �� ��$%!� &����� �� ������� ��� � � ���� �����'���� �����

�������� ����� � �� �������� ������ ����� ������ �� � � �� �!� #���� 60Myr �

� ������� � � ����� ���� � � � ������ � 40 − 50 km ������� � � ��� �� ���

� 20 − 60 km ����� �� �!� (� ������ ��� � ������ ������ ������ � ��������

������� � � ����� � � � �������� �����'����� ������� #� � �� ��� � �

���� ����� ���� �� � � ���� � � � ������� �������� )���������� � � � ���� �����

����� � ��� ������������� �� �������� ����������� ��� �������� ����� ����� �� � �

����� ������ �� �� ��$� �� ��$%!� *�������� ����� �������� � � � ����� ������ ���

�� �������� � ������ ������ �� ������� �� � � �������� � � ����� ���� �� � ���

� ������ �������� �� �������� ��� � ����� � ������� ������ �� �������� ��� '

�� ���� ����� ����� �� �!� #���� � � �� ����� �∼ 70Myr! � +�������� �� �������

�� ��� �� ���� ���� � � � ��� �������� � �����'� ������ � ��������� ����

� ��� ������ ����� ������ �� � ������ ��� � ��������� �� ��� ���'

������� �� ������ �� ���� ������� ������ ������ �� � �� ��$�!� � �� � ��� ����� �

���� �� �������� � ��� ����� �� ��� ����� � ��� � � ���'���� �������� � ��

������� �� � ��������� � � � ��� �� ��� �� ���� ����� ������ �� �� ��$�� ��$�

�� ��$�!� #���������� � � ��� �� ����,������� ���� ������� �� ����� �� � � �� ��

������ ����� ������ � �� ������ ��� �� ���� �� ������� �������� ����� �� �!�

30Myr ����� � � ������ � � � ������ � ��� �100Myr!� ������� �� ��� �� ����

� ������ ��� ������� � ����� � ��� ������ ������ ��� � ����� ������ ����� � 20 km

�� � ���� ���� ����� � 30 km� �������� � � ���� ������� � ������ � 50 km� #�

� �� ������ � � � �� ����� ��� �� ��� �� ������ �� � � ���� ����� �� ���������

�������� �� � � ���� ����� �� ���� ���� ������ ���� ������ �� �� ��$�� ��$

�� ��$�!�

-.

Page 123: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 2.79 Myr

Time: 5.82 Myr

Time: 16.52 Myr

Time: 37.97 Myr

Time: 57.53 Myr

Time: 116.63 Myr

a

b

c

d

e

fDome-and-keel

New maficlower crust

Flood volcanism

Dome-and-keel

Depleted mantle

Sediment wedge New crust

χvolc = 100%λmelt = 1.0 ε̇healing = 0 s−1

Page 124: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 2.93 Myr

Time: 11.02 Myr

Time: 64.60 Myr

Time: 71.66 Myr

Time: 82.41 Myr

Time: 84.35 Myr

Time: 113.48 Myr

a

b

c

d

e

f

g

New maficlower crust

Eclogitedripping

Lithosphericdelamination

Eclogite/lithospheredripping

Depleted mantle Maficunderplating

Dome-and-keel

χvolc = 100% λmelt = 1.0 ε̇healing = 0 s−1

40 − 50 km 20 − 60 km

Page 125: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

1000 1200 1800 2400 3000 3615

Density [kg/m3]273 400 800 1200 1600 2000 2313

Temperature [K]1e+18 1e+20 1e+22 1e+24

Viscosity [Pa·s]lhd

kgc

jfb

iea

Tim

e: 5

.64

Myr

Tim

e: 8

0.20

Myr

Tim

e: 8

3.90

Myr

Tim

e: 1

26.5

5 M

yr520 400 300 200 100 0km 520 400 300 200 100 0km 520 400 300 200 100 0km

0

100

200

300

400

520

km

0

100

200

300

400

520

km

0

100

200

300

400

520

km

0

100

200

300

400

520

km

χvolc = 100% λmelt = 1.0 ε̇healing = 0 s−1

Page 126: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

4.3.4 Influence of melt-induced weakening

Time: 8.41 Myr

Time: 1.55 Myr

a

b

0km 1002003004005200

100

200

340

km

0

100

200

340

km

������ �� ��������� �� �� ������ ��� ����� ������ ����������� ������ �λmelt = 1.0�ε̇healing = 0 s−1� �� �� ���� ��� ����������� ������ �λmelt = 0.01� ε̇healing = 10−14s−1������ ������ ���� ��� ���� ������ ���������� �� ���� ���� ����� �� � ������� ������� ��χvolc = 100%� ���� ����� ��� � ! ����� �� ��� ���� �� ��� ���� �������� ����� "������ �� ��� �������� ���� � #��� $�%�� &���� ���������� �� ������� �� � ��� ���� �� �� ����������� ������ �� ������ ������ �� ���� ���������� !�� �� ��� ������ ������ ������� ���� �� ��� �� ���� �� ������� ���� �� �� ������

������� ���� ���� ���� ��� ������� �� ��� ����� ���� ������ �� �� ��� � ����

����� ������ �� ���� ��� � ! �� "�#� �� ���� �� ��# �� $�%�� "��&� $�� ����� %� ��

���'���� � ������� (�� �%��� � ���� �� ���� ������� �� �� ���� �)����� ��

�� �� �λmelt = 0.01& ������ ���� �� ��� � �� ���� ��� �� ����� �� ��� ���

� �� �ε̇healing = 10−14s−1&� *� ��� ����� ���� ������ �� ������ � �����

�λmelt = 1� ε̇healing = 0 s−1&� ��� ���� ���� � �+����� ������ !��� � ��� � � ��

��� � ��� ���� � �� ����� ���� ������ �� ��������� ������ ����� �������� ���

���� � ! �� "�, � �� ����� ���� ������ �� �� ����� � ! �� "�� � �����&� -���

������ %��� ���� ���� �� ������ � ������ �� ��� ���� ������ �� ������ ���� ��

���� ����� �� �� ��� � � �� �������� �%�� �� � � ������� ��� ���� � � �� � �

��� ��� �� ������������ ���� �! �� "�#%&� .��� ���� �! �� "�,&� �� �� �� ��� ���

���

Page 127: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 0.89 Myr

Time: 3.24 Myr

b

a

Crustalconvection

Diapir

Lithosphericdripping

Eclogite drip

Overthickened crust

χvolc = 100%λmelt = 0.01 ε̇healing = 10−14s−1

χvolc = 100%

λmelt = 0.01 ε̇healing = 10−14s−1

∼ 8Myr

∼ 1Myr

3Myr

Page 128: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

������� ���� ������ � ���� � � ���� � � ���� ����� �� ����� � ����� ��

���� �� ������ ��� ���� ���� � � ����� ��������� ����� ������ ������ � ���

�������� � � ������� ����� ����� � ���� �������� �3Myr� ��� ���� �����

������� �� ���� ������ ����� � ���� ����� ���� ��� � ����� ����� � � ��

���� ���� 60Myr ����� ��!���

4.3.5 Influence of layered crust

� �� ����� �� ���� ����� ��� � ���� ����� ���� ��� � ������� ��� � �����

���� � �� "���#�� � � � ���� ���� � ���������� $ 75 ������� $�� ���� �����

���� � ����� �%��� �� � χvolc = 20% � � ��� � ����� ����� � � �λmelt = 0.01�

ε̇healing = 10−14s−1��

&��� ��� ����� ��'(� � �� � � ������� ���� � ����� ������� ��)� ���� � � ����

��� ��)� ����� � ��� ��� � ���� � � �������� ����� � �������� ��� �����

���� �� ���� �� � ���� ����� � �������� ��� ���� ���� �� ������ $���������

������ ��� �� ������ ���� ��� �� &� ����� �� ��� ����� �� ���� ���� � �

����� �� ��������� ������ ��� ������ *�� ��������� ����� ����������� �� ���� � �

�� ������ �� ����� �� ������� ������ ��'(� � � ��'(��� *�� � ���� ����� ������

� � �� �� �� ������ ����� ������ ��� ������� � � � �� ����� *��

������� � �� ������ �� �����)�� ����� �� ����� ��� �������� � �� ����� ����� � �

�� ����� ����� ��'(��� *�� ����� � � �� ��� ����� �� ���� ����� ���� �� �����

*�� ����� �� ���� �� � �� ����� � �� ������ ���� ������ � � ����� + �

�� �� �� � � �� ��� ����� ����� ��'(��� *���� ����� � ���� ������ ������

����� ���� � � � �� ��� ���� ��� � �� � ���� �� ��� ������ ���� � � �� � �

���� � ������� � �� ����� ,� �������� ���� � ����� �������� � ���� � � ����� �

���� � ����� ���� � �� �� �������� � ���� �� � ������� � � ������ �����

����� ��'(��� -�� �� � � ��� �� � ������� ������� �� ������ ��� ����� ��

�� ��� ������� �� ���� ��������� �� ������ .�� ������ ����� ���� ����#

� � � �� ������� � �� �� � � �� ����� � � ���� �������� � ����������

�� �� ������� ��� � �� �� �� � ����� ������ ��'(� ��'(��� ������ ���� ��

������ ����� � ������ ��/� � � �� ����� ������ � � � �� ����� ������ ���

�∼ 10 km� ���� �� ���� �������� ��� ����� �∼ 30 km� ����� �� �������� �

���� � ������ ��'(� � � ��'(��� ,� ������ ��� �� ��� � ���� ��� ��� ��������

����� � ������� � ���� ����� � � ���� �� �������

''!

Page 129: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

����� ��� ��� � ���� ����� ����� �� �� ����������� ���� �� �� ���� ���� ���

�������� �������� ��� � ����� ���� ���� ���������� ��75 ��� ���� �� �� � ��� ������

������ ��� �� ��� ������ � ��� ����� ����� ������ ���� �� ��������� �� �� ����

�� ���� ������ ��� ������ ���� � ��� !�""�#� $�� �������� ���� �� ����� �� �� �

���� ������ ����� ��� ������ �� ���% ����� ��� ������ &��� �������� ������ �������� ��

���� ������ ����� ���� ��� ��� ����� ������ ��� ���� �� � ������ ���� � ������

� ���� !�""� ��� !�""�#� �� �� ��� ����� ��� ��������� ���'�� ���� ������ ������ ���

�������� ������ �� ��� ������� ��'��� ������� ��� ��� ������� ����������� ������

����� �� ���� ��� ��� �� ��� ����� ����� � ������ ���� ������������� ������� ��

� ������� �'����� � �� ��� ����� ���� � ���� !�""� ��� !�""�#� (���'��� � ���

∼ 1Myr ��� ��� ��������� ���'������ ������ ����� �� ��) � ��� !�""�#� ���� �∼ 3Myr#

������ �� �� ����� ����� ��� � ����� �������� ������ ����� � ���� !�""� ��� !�""�#�

(���'��� ��� ���� �� ����� �������� ���'������ ���� ������� ������ ���� ��� ���%���

����� �� ����� ���'� ������� � ��� ������ �������� ������������ �� ��� ��������

��� ��������� ����� ��� ������� �� ������ ����� �� ��������� �� ������ ������ ���

��� �������� ���� �� ����� � ���� !�""� ��� !�"" #� &��� ����� ����� ���� ���%�

������ ��� ����� ��� �������� ������ ����� ���� �� ��� ���� ��� ���'�� ���� ���� �����

� ��*� ������ �� ��� �� ��� � ��� !�""�# ��������� ���� ������ ����� � ��� !�+# ���

����� � ��� !�,#� �� ������� � ���� ������ ������������� ������� �������� ������

�� ������ ������*�� ��� ���� ��������� ������ ������ ���������� � ���� !�""

�� !�""�#�

����� ��� � ��� !�"-# ��� ��� ���� ��� �� ��� � ��� !�".# ��� ��� � ��� !�""# ��

���� � �������� ����� �� ���� ��� � ��*� ����� ����� &�� ������� ������ �����

����� �� �� � ��� ������ ��� �� ���� �� ���� ������ ���� ������ ������� $��

��*� ���� �� ����� ����� ��� ����� � ��� ����� ��� � ���� � ��������� ������ ��

��������� �� ��� ������ � ��� ����� ���� � ��� !�"-�#� &�� ������ ���� ������ � ��

��� ����� ���� ����� �� ���� ��������� ��� �� ��� ����� ���� ����� �� �'�����

����'������ � ���� !�"-� ��� !�"-�#� /����� ������ ���� ��� ���� �� ������ �����

����� ��� ���� ����� ������ �� �� � ��� ���� ��� ����� ��� �� ���� $�� ��*�

���� �� ������ �� ��� �� ��� � ��� !�"-�#� ����� ��� ������'� ������� �������

�� ��� ��������� ����� ���� ��� ������ �� ������ �� ���� �� ��� ����'��� ������

� ��� !�"-�#� &��� ����� ����� '������� ���� ��� ���� ���% ������ ��� �� �����

����� ��� ��������� �� ��������� ��'��� ���'��� ������ ���� ����� � ��*� ��������

�� ��� �� ��� � ��� !�+ #� � ��� 20Myr � ����� ��'������� ��� ����������� ������

������� ������� ������ ������� �� ��� ������� ��������� �� ���� �)�������0 20 km �

""1

Page 130: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

������ ���� ��� �� 20 km �� ���� ���� ���� ���� �� �� ��������� ��� � �

�� ������� �� �������� ����� ��������� �� ������ �� ����� ������������ ���

26Myr �� ���� ��� ������ �� ������� ������� ��� �� ��������� ���� ���

��� ��� �� ������

���

Page 131: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 0.61 Myr

Time: 1.29 Myr

Time: 1.73 Myr

Time: 2.15 Myr

d

c

b

a

Solid lid

Eclogitedripping

Lithosphericcarapace

Crustalconvection

Solid lid Eclogitedripping

χvolc = 20% λmelt = 0.01ε̇healing = 10−14s−1

Page 132: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 0.34 Myr

Time: 0.49 Myr

Time: 0.58 Myr

Time: 0.89 Myr

Time: 1.16 Myr

Time: 3.39 Myr

Time: 5.33 Myr

Time: 13.43 Myr

a

b

c

d

e

f

g

h

Sinking ofmafic crust

Embryonic mantle lithosphere

Crustalconvection

Solid lid

Thin mafic lid

χvolc = 20% λmelt = 0.01 ε̇healing =10−14s−1

Page 133: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time: 0.52 Myr

Time: 0.99 Myr

Time: 1.94 Myr

Time: 3.50 Myr

Time: 4.04 Myr

Time: 19.98 Myr

Time: 26.23 Myr

a

b

c

d

e

f

g

Eclogitedripping

Sinking ofmafic crust

New maficmiddle-crust

Thin mafic lid

Lower crustalconvection

Upper crustalconvection

χvolc = 20% λmelt = 0.01ε̇healing = 10−14s−1

Page 134: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

4.4 Discussion

4.4.1 Magmatic processes, short-term crustal thickening and over-turn, crustaltectonics

��� �� ��� ����� �������� � ��� ���� ����� ��� ������ �������� �� � �� �

������ ��� � ����� �� �� ������� �� ��������� � ����� � � ����� �� !" � �

��������� �� ��� ��#��� � ���� ������ �# ������������� �����$�%� ����� ��

���� ����� $��� �������� &��� $��� ����� �� %�� ��� � ��� '���� �' ���

((() *� +� � �� , �� ���� ���-� �� .�"� /# �� ����� � ��� �# ��� ���� ������

� � � 0��"� ��� ���� �� ����,� �� �� ���� � �%�� #��� ����� �� ��,� � ��� ���

�������� �� ���� ���() *� +� � �� , �� ���� ���.� �� .�"� /# ���� $��� ����� ��

����� � #����� ����� � � ������ ����� � �� ����������� %���� ������ #�������� �� �

����� � #� ��������� �� ����� � �0���� � �� ���� ((1) 0����� � � �������� ���-)

*� +� � �� , �� ���� ���.� �� .���"�

'� ��� ��� ���� ������ � ����� � �� ���������� � ��� ��%� ���� � � �����

����" ����% ��� ��� � ��� ���������� �2��� .�!"� %���� ������ ������ �������

�������� � � ������ �������

3��� �������� 4 $��� ����� �� � #����� ����� �� %��� �� ����� �� ������ 4

� ������ �� ������� ����� �# ��� ����� / � ��� �� ����� �� ,� � �# ��� �%��

#��� ����� �� ��,� � �� ��� #����� ���� � � ������� ��� �# ��� � ����� � #����� ����

����� �� � �� ������� ����� � � ��� #����� �# ��� ������� ����� ��,��� �����

������� � ������ ���� �� ���� ���� 5����� � ����� '������� �*� +� � �� ,

�� ���� ���.) 6��,� � ���."� +������� � ����� '#��� �*� +� � �� ,� �� �"� / �

%��,� ����� %��� � ���� ��� �# ��� ���� �� �������� ���� � ���� ������� �� ,� �

� � ��� � ��,�� � ��� #� �# � ���� � �� �� �� ������ � ���� �� ��� �� ,� � �# ����

�������� ���� � � ��� ��� � �# ��� ����� �� �������� ���� ��,� �2��� .� !�) 0���� �

�� ���� ((1"�

/ ������� � ����� �# ������ �� #����� ���� � �� ��� ����� �� ��,� �� ���� �

����� � �7��� #� ����� � � ����� ������ ������ �8��� �� ���� ����) 9�� �� ����

���!) �� ��#�� �� ���� ���."� /� ��� ��%���� ��:���� �� �������� ���� �7��� #� �������

����� ��� �� ��� ��� � �� �# ���� �������� �������� �� ������ ����� ��

1

Page 135: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

��� ���� ��� � ���� � ����� � ��� ���� ��� ��� ��� ����� ����� ��� ��������� ��

��� � �� �� ���� ��������� � ����� � �� �� ������ �� � �� ���� ����� �� ������

�������� ��� ������� ������� �� ����� �� ��� ����� � �� ������ ���������� �� ����

�� ���������� ��� �� ������ � ������ ��������� ��� ���� ������� � � � �� ���

������ ��� ��� ������� ���� � !�� ������� �� �� ��� "#$%�&�

4.4.2 Crustal thickening, destabilisation and recycling into the mantle

�� ��������� �� ��� ��� ����� �� ���������� ��� ���� �� ������ ��� ��� � �������

���������� '������ � ������ � �������� �������� ��� �� ����� ��� �� � �� �����

���� � �� ���� �� �� � � �� ��� ���������� ����� ������� �� ���� ��(� ����� ���

��� ���� �� ����� ������ ��� � �� ���� ��� ����� � ��� ��� ������ ���� ����(

� ������� ���������� � ��������� �� ���� ������� ��� ������� ������� ������������

� ������ ��� ����� ������� ������ ������ � �������� � ��� ����� ��� ������

��� �� ������� �� ������ ���� ��� �� ��� �� ���� ����� ������ � ��� )��� %�*�&�

+���� ��� ���� ������ � ���, ��������� ��������� �� �������������� � �������(

�� �������� ���� ��������� �� ���� -���� �� ��� "#$.& ��� ����� �����(���& ��������

��������� �� � ��/ ��� � ������� � -0123 ��� �������� "##4�5 )������ ��� -�����

��������� � � �������� �&� 6 �������� ����� ������ 7 ��� � �������� -0123 ���

�������� "##4�& ��� ��� � �������� � ��� ��� ������ ��� �� ����� ��� ��������

��������� � � �� � ��� / �� -0123 ��� �������� "##4�& ���� �� ��� 8 � � ���

��(����� ����� � ������ � ���� � ����� ������ ��� ������ ����&�����������

���� )���� %�"� ��� %�"�&�

4.4.3 Long-term tectonic processes

)� � � ��(���� ����������� 10 s � 100 s � Myr&� ��� �� ��(���� ����� � ������

������� �� ��������� �� �� ����� ������ ����� �� �������� � �� �� �� ������� �������

+����� ������ ������� ������ ��� ����� �� ���������� ������ ��� ���� � � �������

9��������� :�� �� �����;& ���� ��� �� ����� ��� ��� ��������� ��� ������� ���

� ��� ���������� ��� �� �������� � � �� �� �������� ��� ��� :��� �� �����; � �

��� ��������� � � ���� ����� � ��� �� ����� ��� ����� ��� ������ ����� � ��

Myr, � ����������� ������ ����� ���� ����������� ������ ��������� � ��� ����� ������� �

��� ������ �9��������& ���� ������ ����� ��� ������ �� � ������ ��� ��� ���

$$<

Page 136: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

������ �� ���� ���� ��� �� � �� � � ��� ��� � ���� ������ ���� ��� �� ����� �������

���� �� � �� ���� � ��� �� � � ���� �� � ��� �� �� !� "�� �� ��##��

����� � � � �� $��� %������ � � ��� ����� ������� �&�� � � ∼ 15Ma �� ����� �

�& ��� � ����� '�� �� � �

4.4.4 Mantle convection patterns and lithospheric growth

(� ���� � ��� ��� �� �� ���������& ��� ����� ) ���� ��� �� � ���*��& � � ����

��� ���� �� � ��� �� �� (� ��������& ���� ���� � �� ���� ��� � ���� ��

� ∼ 120 km� )� �� ����� � � ����� ��& � ���� � � � � � ����� ��+�� �� ��+���

����� �� ��� ���� � � ������& ������ � ������� �� �� ����� � � ��� �����*����

��� ���� � ���� ����� �� ������& �,� � � �& ����� ���� � ��� � ��� �� � �� ��

���� �� �� �������� � ������� ��� ���� ��� ���� ����� ��+���� (� ��� � ���� � ��

��� � ���� � � ��� ��� ���� ��& � ���� ��� ����� � ���� �*���� ��� ���� � ���

� ��� �� ��������& ���� ���� ��& �� -���� ������� �� �������� ��� ������ 1− 2

����� ��� ���� � ��� �� � ��� �� �� ��� � �� ���� � ���� ��� ����� ��& � �� ��*

� ���� ���� �� ���� � � ��� ��� � ����� �� ��� � ��� ��� � �� �� ���� � �����

��� ��. � � ������� �� �� ������ ������& �� �� �� ���� ������� �� �������� ���

��� ���� �� �� ��� ��� �� ���� �

+�#

Page 137: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Small-scale convection

0°C400°C800°C

1200°C1400°C

1600°C

Time: 20.41 Ma

Small-scale convection

0°C400°C800°C

1200°C1400°C

1600°C

Time: 2.70 Ma

b

a km 01002003004005200

100

200

300

400

520

km

0

100

200

300

400

520

km

Page 138: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

4.4.5 PT-conditions for generation of TTG-crust

Time: 83.43 Myr

0.6%

69.7%29.7%

10 kbar

20 kbar

Time: 2.68 Myr

69.1%

12.3%18.6%

10 kbar

20 kbar

b

a km0

100200300400520 0

100

200

300

400

520

km

0

100

200

300

400

520

km

������ ��� �� ����������� ���� �� ��� ��� � ��� ����� ��� �� ���� ����� �� ��� ��� � ���������� ��� �� ���� ����� ������ �� � ���� �� ��� � ���� ����� ��� ����� � ���� � 0 10 ��20 kbar �� ��!� ����!���� � "�� �#��� � �������# ��� ��$� ����� %���� �� �� �� ��� ��&��!�� � �� �� ���� � � �!��� �� � �� � �� �� � ��� �� ��!� ��� �� ��� �

��� ������ �� �� ��� �������� ������� �� ��� ��������� �� ������ ����������� �� ��

��� �������� ���������� ������ ���� � ����� ����� ���� ������ �� �� ��� ���� �� ���

����� ����� �������������� ��� ��� ����� � �� ��� ������ �� � ������� ���������

�� �������� ���� ����� ������������ ��� ���� !!"#� ��� ��� �� ���� ���� ����

��� � ����� ��������� �� ������ ����� ���� �������� ������� ���� �� �� ����� ��������

$

Page 139: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

�� �������� ��� ��� ����� � ��� ������� �� �� ��������� ����� ���� ������ �����

����� ���� ������ ��� �� ��� ������ ���� ����� � ��� ��� �������� �� ��� ������� �

�� ���� � !""# �����$������� 20% �� ��� �� ���� ���� ������� �� ��� ��������

�0 − 10 kbar#� 60% ���� ���� ������ �������� ������� �� 10 − 20 kbar � � � �����

20% ���� ������������� ������� > 20 kbar�

��� � � �� ����� � ��� %������� ������� ���� � � ��������� � ��� ����� ���� ��� �����

���� � � ������������� �� �� ��� ��� ��&��� � ������ ��� �'��� (�"(�# � � �����

�'��� (�"(%#� �������� ����� �� ���� ��&��� � �������� )�� ������ %��� ������ �����

��� ���� ��� ���� ����� ����� �� 35 km �� ���� ������ ����� ����� �� 83Myr � ��

�� ���� ������ � ��������� ����� %������� ����� � ��� ������������ ����� � 30% �

��� ������������ ����� � � 70% � ��� ������������� ����� �'��� (�"(%#� *������ �

��� ���� �� ����� ��� ��� 2.7Myr# ��� ��������� ����� %������� ����� �� ������%���� ��

�������+ 70% � ��� ������������� 20% � ��� ������������ � � 10% � ��� �������������

����� �'��� (�"(�#�

�� ���� ������%�� �������� �� ����� ��� �� ���� ��� ��� ��� ����� ������ �����

��� �� ��������� %� � ��������� �� ������� �� � � ���� ����� ����� �� �������� �� �����

������ ��� ����� ���� ����� ����� �� ���� ���� %� ������� ������� � � �� ������

��� �� �������� ��������� ����� %����� � ��� ��������� ����� %����� 0− 10 kbar

�'��� (�"(�#� , '��� (�"(% ���� ����� ����� ������� ������� � � � ������������

��������� � ��� � ��� ������� �������� � � ��� ����� �� %��� � ��� � ����� ����� �����

��� ����� ������ �� ������ ���� � , ���� ����� ������ � ������� ���� �� ��� � �

��� ����� %�� ��� ��-�� ����� � �� %����� ����� � ��� ������� ����� ���� �����������

����� �� ���� ����� � �������� � ������ �� ��������� ����� ����� ����� �� �� ���������

����� ��� � �� �� ������ � �� ������ ��� � ������ �� ����� ������ �� ���������

����� %������� ����� � ����� �� � �� 15% �� ����� ������ ����� � � ���� ��

������ �� ���� � � ������������� ��������� ����� %������� ����� �� �%��� ��� �����

����� ��� ������ �� ������������ ��������� ����� %������� ����� � ����� ��� �� ������

1000 ����� �������

*�� ���������� �� ����� ���� ��� ���� � �� ����� ���� � � ������������� %������� �

������ ���� ������ ���������� ��� ��&��� � ������ �� ��� ������ ����� �� �������

� � ��-�� ������� �������� �������� ������ �������� � �� ������ ��� � � �����

������� ��� �� �.������� �����/� '���� (�0% � � (�"0�# ������ ��� �� ������� �� ��������

����� ���������� 1������ �� � � ������������ ������ � � �.������ �����/� '���� (�0�

� � (�"0%� ��� ���� 2������� �� ���� !!3#�

" 0

Page 140: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� ���� �� ���� ���������

4.4.6 Consequences for subduction initiation

��� ����� �� ���� ����� �������� �������� � ����� �������� �� �� � ��� ���

�������� �������� ������ ��� ���������� ����� ��� �������!� ����"� #�� � �� ��$�

���%� ��� ���������� �������&$ ' ����"�� ���(�� (��� "� ������������ ��"������

�)��� �� ��$� ���*� ��� �������!� ����� #�� � �� ��$� ���%&$ ������ "�+�����+�

��� "���,�� �� ��,���� ���� ����� (��� ����������� (��!����+&- �$+$ .�+$ /$����

.�+�$ /$0� ��� /$0+� .�+�$ /$/� � /$/� ��� .�+�$ /$�� ��� /$��$ 1(�,��� ��� ���!��+

��"�������� 2���"3 �� ��� � (��! ���� ��� ,�� 1���� ��� ,�� ��� 4��+� ���*&

� ������� � ��"������ ��� ����� � �� � �������� ���� ��� � ���! 5 (���� ���

������� ������� �������� � +�( �6����� ��� �������� ���7� ��� �������!

�� ��$� ���7� ���/"� #�� � �� ��$� ���%&$

4.5 Conclusion

'������ �������� �������� ��� ���������� �������+���� ��� ���� ���,��

" ����+ ������� ��� ����������� +�(��$ ��� ,������!���� �����"�� ����� �� ���

,�� " ���� � ���+��� ����� � ���� �������� �1��8"��+� ���/& ��� ����������$

9� ��� �� ����� ������������� ����� :( ���,�� ������� +�(��� �������� ���

������� �������+ " ���+��� ��� ����+ ���� � ��� ���� ����� �� �� ����+� ���

;�� " ��� �������+ � ������� ������� "��! ��� ��� �����$ <� ��� ���� ���� ���

����� ��� � �������� ��,����� �� ��� (��� ��,����� "���+ �������� " ��� ��

��+ � �+���� ������ ��� ��� ���!��+ � "������� ����� ���� " :� ,������

�'����� �===� ��� �������!� �����&$ ���� ����� �� �>����� �?����� (� � ����

��,�� ����+� ��� ����� ,�� ��,����� ��� �������� ����+� ��� ������� "������

����� ������� ��� ��� ���� ��,��� �� ���(�� � ��� '������ �����> �� ������"�� "

@���� ����0& �� ������� � ��� ��������� ��� �@�� ��� <�""� ���0&$ .�������

�� (� ���� '������ �������� �������� � "� ��������� ��� �( �������� ������-

��& ' ��+�� ��� ������,�� ����� 2+�(�� �����3� (���� ����� ��� ���������� +�(

�� ����!����$ ��& ���� �� ���(�� " � ���� ��� ����������� 2��,�� �����3� (����

�����"�� ����� � ��� ����� ��� ���������� ��� ��,�� ;��� ,�� �������+ ��� ����� ,��

����������$ ���� ������� � ������� ,������ ��� ������ "��� ��++����� �� ���

'������ " ��,���� ������- �A��� ��� B� �� ��==�&� C�+��� ��� ,�� �!�� �����&�

,�� ������� �� ��$ ����%"&� 4D���� ����E&$

��/

Page 141: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

Supplementary materials�����

�����������������

��� ���������������������������������

����

�����

������������������

����������������

�����������������������

���

������

������

� �����������������������

�������� ��

��������

!�������

ρ0

k�������

Hr�

HL

C0�C

1φ0�φ

1γ0�γ

1σcrit

Cp

[MPa−ns−

1]�[−

]�[kJ]�[

Jbar

][ k

gm

3

][K

][

Wm

·K]

[ μW

m3

][ k

Jkg

][M

Pa]

[−]

[−]

[MPa][ k

Jkg

]

"��

������

#����

�����

����

$�������

�����

����

%��

�� �����

����

&��

'���(���

)��

���

BD

=1.97·1

017�n=

2.3�

Ea=

154�Va=

0

*++*

2600

2400

2750

2400

2700

2400

2950

2400

�����

������

�����

������

�����

������

�����

������

0.64+

807

T+77

*++*

,������

*++*

-�����

*++*

2.0

2.0

2.0

2.0

1.0

1.0

1.0

2.0

. 300

. 300

. 300

. 380

1,1

1,1

10,3

1,1

1,1

1,1

10,3

1,1

0.2,0.2

. 0.6,0.0

. 0.0,0.0

. 0.6,0.0

.

0.0,0.25

. 0.0,0.25

. 0.5,1.5

. 0.0,0.25

.

0.03

. 0.03

. 0.03

. 0.03

.

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.5

1.0

1.0

#����

��/������

%��

����/�����

$�������

��/�����

0����������

An75)��

���

BD

=4.80·1

022�n=

3.2�

Ea=

238�Va=

0

*++*

3000

2800

3000

2800

2900

2400

�����

������

�����

������

�����

������

1.18+

474

T+77

*++*

0.64+

807

T+77

,�����

*++*

-�����

*++*

0.25

0.25

0.25

0.25

0.5

1.0

. 380

. 380

. 380

10,3

3,3

10,3

3,3

1,1

1,1

0.6,0.0

. 0.6,0.0

. 0.0,0.0

.

0.0,0.25

. 0.0,0.25

. 0.5,1.5

.

0.03

. 0.03

. 30.

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.5

1��

�����

������

!�������/��

������

1��

������)��

���

BD

=3.98·1

016�n=

3.5�

Ea=

532�Va=

1.6

Vquenched=

0.8

3300

2900

3200

2900

�����

������

�����

������

0.73+

1293

T+77

*++*

0���������

*++*

0.022

0.022

0.022

0.022

. 400

. 400

10,3

3,3

1,1

1,1

0.6,0.0

. 0.6,0.6

.

0.0,0.25

. 0.0,0.25

.

0.03

. 0.03

.

1.0

1.0

1.0

1.0

������

$�������

������

"�����������

&��

������)��

���

BD

=5.01·1

020�n=

4.0�

Ea=

470�Va=

0.8

*++*

3300

2900

3300

2800

3100

�����

������

�����

������

�����

0.73+

1293

T+77

*++*

0���������

*++*

*

0.022

0.022

0.024

0.022

0.022

. 400

. 400

.

10,3

3,3

3,3

3,3

1,1

0.6,0.0

. 0.1,0.0

. 0.1,0.0

0.0,0.25

. 0.0,0.25

. 0.0,0.25

0.03

. 0.03

. 0.03

1.0

1.0

1.0

1.5

1.0

!� ����

����

��

��

23* 4

��

���������

����� ���������

��������

������

�α=

3.0

·10−5K

−1�����

�����������β=

1.0

·10−5GPa−1�

�����

�����������

������

����

�������

������

������

�����

������

���

�������

���������

������

�����������������

����

� ��

���

���!"#$#%�

��$%��������������

������"##"%!

�"%&����

��������

�������$''(%!

�)%*���������+���

���

�$''(%!

�,%-�������$''(%!

�(%���

�������.���

�$''/%!

�0%1�������

�$'/(%!

�2%.���������

�����"##"%!

�/%���

�������.����$''/%!

�'%+����$'/'%!

�$#%3��

������"##)%

���

Page 142: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

References

�� ������ ��� � � ��� ���� ���������� ��� �������������� �������� ��� ��������

��������� �� ������� ������ ��� ������������ ��� ����������� ������� ������� ��

��� ����� ������� ������! ""#$%"&'�%"&(()! &("&�

*� ������ +�� ��� ,��� ��������� �� ��-������ ����������� ��������� �� ������

�� ��� �����-����. ���������� ������! /#$)01'�"220"31! "///�

� 4� 56����� � ��������� ������������ ������ ����� ��� ������� ������� �� ��������

����� ��� ��- ����������� ������������ ������� �������� � ������������ ����!

#($2'�""770"&"1! &((3�

8� 5���! � 9� ���������! ��� 8� 9� 9������ :������������ ������� ;���������� ���

%������������ :� ������ �� ������ ��� �����������! ����� "02� ��������

;���������� <����! &((3�

=� 5������ ��� 4� ���������� *�������� ��������� �� ������� �������� ��� :������

=�������� :� ��� >���� 9����� ��� ����� ������� ������������! "&)$"'�2/0#(!

"//2�

=� 5����� ��� +� 5� ������ =������� ��� ������� 4������ �� ��� ����������� ������!

��� ����! ��� :�� :� �� ;�����! ������! ������ �� ��� ����! ����� &//0)17�

%�������! ���������! &((#�

�� 5����� ����������� 9��������� �� ?������� 5����� � @����� �� ������� 9������

������������ ���� ����! 1/$)'�"/)0&)1! &((#�

%� 5���� ��� �� ;����� ���������� ����� ����������� ���������� ���� ������ �������

����! 2")$#2"3'�7207/! &("1�

=� 9� 9������� ��� @� 4� ��������� ;����������� �� ����������� ;������� �� ���

%��� ��-��� �������! ��-��� 9�����! +������ ���������� :����������� ��� %����

������� 9������ ;������ :� @� 4� �� ������ � ��� 8�������� ��� 9� 5� ��� ��!

�������! !�������� �� ���������� ���� ! ������ ������ "2! ������� 1�)! �����

)3/01(/� %�������! &((#�

9� 9������ ��� %� 4������� ������� 9����������� �� @�� � ��� ��������� :� �� ������!

������! ���" �� ���� ��� ���� ��������! ������ )! ����� "(20"&3� �;< @��������

�����! "//2�

"&3

Page 143: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

�� ������� � �� ������� �� �� �� ��������� � ��� � ���������� �������� �� ���

�� � � ����� �� ��� � �� ���� � �� ��� ������� ����� �� � ������ !��� ���!� ��

�������� �!"��� ������ ������� �� ������� � ����� #$%&'�()$*+()#) (&&,�

-� �� !��� .� /��!���� 0� �� 0�� ��� �� 1����2 3� 4����� /� �� .� 5����� 1� ��

� � 5� �� �� � �� �� � 0��� �� �� �� � ������ � ��!" ����� �� ��!���� � ���� ��

��"� � "�� � ���� ����� �� ����� !�� !������� � � �� �� ���� �� ��� 6������ ��7

!������ � ��������� ������� �� �������� (,&%('�8,+*) #$(#�

�� �� ����"� 3 ��� �� ! ! �!"� ��!��� �� ���� ��� ���"��� ������� �� �����������

��� � �� ���� � � ���� #$%8+)'�(99+#(( (&,)�

3� -������ �� �� 0��� � : ��� : ��� "��!� ���������� � �� ������������ 81 ��!���� �

!������� ""�� ��� ������� �� � ��������� �� "�����

3� -������ �� �� 0��� � 3� �!�� �� ���������� �� ������"����� ��� !��� �� ���

���� !��� �� 81 ����!�!��� ��� � !������� � �������� � � ���� ���!����� ���

"����� �����

4� .� 0;<=> �� 3� ?� ������@��� � ���� ������"���� ��� !�� ���� ������ "� �� �

�"���� �� ��������� ��� �A������� �� � ����� �� ���� � � ����� 8B%&'�9#8+9#B

#$$, �

4� .� 0;<=> �� 3� ?� ������@��� ?� ������ �� �� ������� �� ���""�� �� ��� !�� ���

������"����� ������� �� � ��������� � � ����� ���� ���� ((8%5(('�5(()$) #$$,��

�� 0��� � ���� !��� � ����� !���� �����"�� �� !������ �������� � � ���� #*

%#'�))#+)B8 #$() �

�� � 0��� � ���!��������� ����� � ����������� 81 ����!�!��� ��� � !���� ��

�!"��� ����� ��� ��� ��� �� �� ��� � �� ����� � �� ����� ���� ��� ���� ���

�� �� � �� 8&(�(,8+(&# #$()��

�� � 0��� �� 1� �� C���� �� � ������������ ��� ! ������������ !����� @��� �������

� ���� D�������E������� ����!�� ��� !������ ���� �� � F�@� @��� ����� �� � �� ���

�� ��"��� "��"������� ������� �� � ���� ��� ���� ��� �� ����� ()$%)'�#&8+8(,

#$$8�

�� � 0��� �� 1� �� C���� 3����� �� � ���������� !����� ��� !������� !����"� ��

�������� ����"� ���� ����!��!��� ��� � "�����!�� ������� �� � ���� ��� ���� ���

�� ����� (B8%(�)'�,8+($* #$$9�

(#9

Page 144: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

�� �� ����� � � ���� �� �� �� ������ �� �� ������� �� �� �� ������ ��� �� ��

����� � ����� ������ ��� ��������� ��� �����!����� " �����#������� � ��������� �����$

��%������ �� " � � � !� ���� �& ����� � " �� #����� ����� �% �� � ���� ��������

����� �� � ������� '()(*$+,-.+// 0110�

�� �� ����� �� 2� ����� �� 3��� �� �� � ! ��� ��� �� �� � ������ ����� ���� ����

� � � 4��� ��������� !� %����#������� ��!����� � �������� �� ������ 50-)-5--*$

00'.005 01'5�

�� � 6����� ��� 2� �� ������� ���������� �������� " � ���%���� " ��������$ 7�%��#

���� �� " � ����� �� ��������� ������ '08)0*$0/+.8'0 '//+�

� 3� 6����� ��� 2� 6� 39����� ������� �� ���� � ��� ��" ����� � �� � � �#%����#

���� ��� ��� ���� 4��� $ � �%���� �� :�� ������ 7� ����� �� �� ������� �����

��� ���� � �� %���� 0'5.0/'� �%������ 01'(�

� 3� 6����� ��� 2� 6� 39����� 7�������� �� !��:��� � �������#���� ;���"�< ��"���� ���

������ = : � �����$ ������� �����%������ �� ��� 4��� ���� ����� ����� �� ���

� ���� ������� ���� � �� ��� ��� (1')'*$80-.85+ 01'5�

�� 6�:���: �� ��� �� >��%� 4� ���� � " � � � ��������� ������ ������ ((8)-''8*$

,''.,'- 011+�

�� 6��?!���� 4���� 4��� $ ��� ���� ���%�� ������ ����� ���� -)'*$-., 01'(�

�� 6��?!��� >� � ���� ��� 2� > ������� � ����� ��� �� " � � 4��� ��� ���

%��� � ����� �&%����� �� ����� ��� �������� �� ���� ������� 0/0)'.0*$-/.,, 01'1�

�� 6���� !� � �� �� ������� "��#�� 6������ @��������� ����� '/,/�

�� 6������� �: � ��������� �������#������� �� �������� �� � � ���!��� ���� � ���#

������$ �������� " � �������� ��� ��? ���� ���� ��� ������� %�� � � 0/11��� ����

��$ � �� "������� '8')8*$'58.'-0 011(�

�� 6������ ��� �� ��� >������ ��� ���%���� %� ������ �� � � " ����� � " ��� ����

� ��������� ����� 4��� ���!��� �������#������� �� ������� ���������� 7� %�� ����

��$ � �� �����& ��$��� ��� ������ � ���� '0 %���� '',.'8/� 4������� 011(�

2� 6��� �� � � �� " � � 4��� A � �� 7���������� � " � � �:� !�����!�� �� � �

� �% ���� � ���� ���� � ��� ���� ���� � " ��� �% � � � �� !�� ����� ���

��� ���$���� �� ���� %������� ��� �� ��� "��� ��� ��� �� �� � ���� ')10*$01/.

'0,

Page 145: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

���� �����

� �� ����� ��� ������� ��� �� ���������� � ������� ��� ��� ���� ���� �� ���� ������

�� ����������� �� ���� � � ��� �!"�#� $������� %$� �&�#�

�� '� ������� (� )��*�� )� � +� , ��� �� � -� . ���������� /�� ��� ���� ��

���0����� �� -��� � � ����� � ���� 10 �� 2�� ���� � ���� 1�������� ���� �� ��������

�3�45��"# � ����

6� 7� , �8� (� $������� �� �� 9� :� ; ������� - ��* � � ������8 ���� �� �0�����

� ���� �������� �� ��������� �� ������� �� �������� �3&45����� ����

-� ,�<��� �� +� � ; 0��� 9���� 7��� ���� �� +� �� (����� �� ��� ' ��0 -���� ��

�������� #!3#�! 45���#"����� �&& �

-� ;�� ����� ;� =� (������ -� (� ������>� �� (� ( �� � 9�������� � ����� �����

� ���� �������� �� ��� ���� �� �� �� ��� �� �� ����������� ����� ��� ���������

������� �������� ��3�"�45���"���� ��#�

� )� (���� �� -� -� ?� �11� :� �@���� ' ���� ����� #��3��!�45#��"#�#� ����

;� (������ ' ��� �������5 - ���������� �� ��� -��� � � � � ���� ����� #��3��!�45

�&!"�&�� ����

�@7� (�0��� ��� ��������� -��� � � ���0 ��������5 +��������� � ������� ���� ��

�2������ ��� ���@���A�� �������� ������� ��� -��� � � ����� � ���*��� ���� �� � �

3�"�45 �"�!� ����

9� BC=���� �� /� -� 0� �� ?���0� ��� (������� �� ; �� -���� � $�1�������5

+�������@������ ���� 9����� ���� ���� ?��������� )��� /� ���� /�������� ��

������� �� �������� ��� ����� ������� �� ���� ��� � ��� ���"���� -����� � ?��@

��0��� � %����� ����

6� � +������� �� .� ;� : ����� ?������� � '2������� �� .����5 6����� +� ���� +������

�� +� �� ��� �������� �&3#�#!45��& "��&�� �&&��

$� +��� �� (� � $������� +�������0 �� ��1������ �� 1�� ����� ������ � �����

��� ��������� ��������� ��3�45 ��" �#� �� �

?� 6 � ���� ��� � �� � ��� ������ $�������� �&&#�

+� 7� 6�0� +� +��������� �� =� ��D1 ��� 9�����1����� �� � ���� ������� ����� �

� &

Page 146: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

���������� � ������� �� ��������� � ��� ��������� � �� �� ������� ����������

�������� ��������������� �����

�� � �!���� � "� � � ���� # $ %& ���� � ' ��� $ �������� $�!��� (� )� *�

)� +� ,!������ ��� �� ������� � ������������� &��� ����� -���% �� ./' ��

�����

0� "��' �� 0� 1� 2� +���� ��� � "� 3 �� �� $ �!���4� ���!��� � � ���

����� ' %�#�#���� ���!��!�� �� 5����� ������#������� �� �������� 5 % ��

��� � ��� ������ -���� $�� �� 6������ 5!������ �������� �������7��7�

�����

�� �� "������ �� �� "�� %� )� 1� 0 ��� � 5� " ���� %� �� � +���� *� 1� $�8����

*� *� *8� �� � �� ���� 1� 0� 3 9��� � 1� �!������ �� � �9 � ������!�� �

' �%&�� ������ � 2��!�� 6�� �� ���9 ������� !�: ������ �� �����������

�������� ������� ;��<=�������������� �;;��

0� 6� "��%�� � "� - ��� </&���%�����9 ��� 8��� �!���� ' � ��9����� ����

� � ���>!����� ' � �� %�% ������� �� ����� �� �������� ������ ��������

���������������;� �;;=�

"� 3� "����9 � "� )� ������ �� "��� ' ��� 6��� � $9��� � � � "� 8� �9

*�% �� '� % "!�� �������� 0����� ������� ������������������ �����

<� "�? 4� ,� ���9� 0� 3� 8�� � � � -����!�� "!�!��� � ��9��� �� ��� -���%#

����� (������ '� % �!%����� �/&���%����� ������� �����������;���;� �����

<� "�? 4� ,� ���9� � 0� 3� 8�� $ �������� ��9��� ' -���� ? �� � -���%����

� �������� � ����� �� ������ �������� �������������� �����

<� "�? 4� ,� ���9� +� "�@8�� � 0� 3� 8�� ������� � ' '����� ��!�� �� ��� 5������

5 �� 9�%�� % ����� &���&����4�� ���������� �������� �����;=����� �����

�� )� "%������� *� $� $�%&� �� � 0� 1� 2� +���� ��� A �%�� � ' -��#

����� � �������� ��!�� ��� !�� ��'���!��� %������ ' ������� ����� �����

�� �������� ������ �������� �=��������;=����� ���;�

�� "�� %� �� "������ � *� *8� �� ,�� �� �� ���!�'���� ' 2��!�� ������ ��

����������� �������� ;;�<������=;;����;��� �;;��

*� ,!�� ��� � �� "��!����� ����������� $%����� B��4�����9 -����� �� ���� ��

���

Page 147: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

�����

�� ���� � ��� � ��� �� �� �������� ���������� ���������� � ����������������

������� ��������� �������� ������� �� � �� � ��� ����� � �� �� � ! " �#$�

�%&�' � ���(�

)� ��� *���� ��� )�+,� -� ��� .������ ����������� ,��� �� ,������/ ������ ����

�� �� � ��� ����� � ������ #�" $� %0�� % �� ��

)� ��� *���� ��� .� 1� ��� ��� 2��3� 1���� ��������� �� ��� ���� 4����� 5����������

������� � �����3�� ��� ��� ��� �6 ��������� ������������ ����� �'" ��$�� !�

�'0 ���(�

-� )� ��� ���������7� 8� � ��� �6 .������ ����������� ������ 1���� ��� �����

��������� �� ���� 4����� �� ���� ��� ��� �� ����� ' �" �$� (!� ��% �� ��

-� )� ��� ���������7� 9��� 3��������� ����� ��� ��� ���� �6 ������� ���������� ����+

���� �� 2�������� 3��������� ���� ���������� ��� ��� �� �� ���� �� � ������ &�

"0$�'#&�'0� �� ��

-� )� ��� ���������7� :���� �6 1���� ��������� ����� '''"&�# $�# '�# # �� ��

-� )� ��� ���������7 ;� 9������ .� *��7��� ��� -� )� 1�8�� � 9������� ����� �6 ���+

����� ��� ����<����� �������� ������ 6�� ��� .������� 4��� 1������ 3�������3���������

������� 1������ ������ 8������ .��������� � ���� ��� ��� �� ' "'$� !'��

���#�

-� )� ��� ���������7 =� *� �������� .� *� *��7��� ��� >� 9� 9�������� 9������

#� 1����������� >���������� �6 � 9���������� �������� ��� 4��� 1������ ������

�6 ��� 1������ 9����� ;������ .��������� ?� =� *� �� -����� )� ��� ���������7

��� 9� 2� ���7�� ������� �������� �� � ���� ��� ������ ������ ������ 0

��3�� '�!�''!� 4������� ���!�

-� )� ��� ���������7 .� ��@��� )� 4� *�A���� � ��3�� ��� 9� =� .����������

)��� ������� ����� =�+���� ��� �6 � �������� -���������� ������ 6��� ��� 2��������

-������� 5��� ����� .6����� � ���� ��� ��� �� �0#� %�'0 �� #��

-� )� ��� ���������7 =� *� �������� ;� 5� ���B� >� 5� *����� .� *� *��7���

>� 9� 9������� 9� =� .��������� ��� ,� 1���C��� -�7��3 �� ����7� � ��������

������� ���3�� �6 1������������ ����������� ����������� �6 ��� 1������ ��� ��������

�������� ��������� ����� ������ ������ ����������� '(% �� #��

'

Page 148: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

����������� �����

�� ��� ����� �� ��� � ���� �� ��� �� ����� �� ��� �� ��� ��� �� ������

� ������ �� �� �� �� ������ ��� ��������� �� ��������� �������� �������� � ��

!����"� ������ ��������� �� ����� #$$%��

�� ��� ����� �� �� ����� ��� �� �� ��� �� ���� �������� �� �� ������� �� �����

�� ��� �������� ��� &��� ��������� �� �� ��� ���� �� !���� '��� ��� �� ��

������ �� ��� ���� � �� ���� � ������� (%$)*+,#-./0(% #$$%��

�� !� 1��� ��� �� !� ��� 23�� '���� ������ �������� ��������� �� �� ����

������������ ������� #4)(#+,($-0/($-5 #$$(�

6� 1� �� �� 6��� �� �� ���3�� ��� !� 2�������� 7� �8���������� � ������

������� �� �� ���� ���9�� �� ����� ���������� �������� ���� � �� ���������

������� ����� ���� ((-)4+,*5-#/*54- #$(0�

(0#

Page 149: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Chapter 5

Evolution of TTG source regions in plume-lid

tectonics1

��������

�������������������� ��� ���� ������ ����� � ���� ������ ��������� �����������

�� � ������� ���� �� ���������� ����� �� ������� ���������� �� �� ����� �����

�� �� �� �� ����������� ��������������� ��������� ��������� ��� ������� ������

��� �� ������ ������� ����� ���������� �� ��� ��� � ������ �� �� ������������

���������������������� �� ���� �� ��������� � ��������� ��� ��� �������

����� �� ������ ����������� ���������! � ���� "���� ����� ���� ������� #� �

���� ����������� �������� ����� $������ �� �� ������ �� �� �������� ��������

��� ������� ��� ���� ������ ���� ����� �� �������� ������ %� �������� ������ �

��� ���� ��� ��� ��� �� ������ �� ∼ 100Myr�

5.1 Introduction

�� ������� �� ����� �� �� ���� ������� � #��� �� �����#����� �� #�� �������������

�� ������� ������ 41% �� �� ������� ���� �������� �� ����������� ����� ��� �� �

������� ��������� ������� �#��� ��� ����� �� �� ������� �������� �� 35−40 km &'����

�� ���� ()*�� �� ���������� ������+� ��� ���� ���� #�� ���������� �� ����������

��� ������ ��� �� ����������� ����� �� ��������� ���������� ��� � ������ �����

����� ����� �� �� ������ �� ��������� � �� �� ����� ���������� ������ �� �������� ��

����#����� �� ��������� ������ �� � ����� ����� �� ��������� ������ ��� #���� ���������

����� &'���� �� ���� ()*�� �� ���������� ������+� �� #��� ����������� �� �� �����

�� �� �������

, ������� #��� �� �����#����� �� ����� �� ����������� ��� ���� #� �#����� ��� ,�����

������ ,����� ����������������� �������� ��� ��� ������� ����� �� ������ -�� ����

��.� ������� ���� ���� �� ������� ��� ��� #���� �� ���������� �����������/ �� ����

����� ������ �� �� ������� �� �� ���

*��

Page 150: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

���� ����� ��� �� �� �� �� �������� ����� �� ���� ��� ����� ��� �������� ��

�� �������� �� ����� � � �� ���� � ������ ������ ��� ����������� ���� ���������

�� ����� �� ������������ ��� ������� ��������� �� �������� �� ����� � �� �� �

��� ����� ������� �� ������ ����� ���� �� ������ ������ �� �� ������

�������� ����� ������� ����� � �� �������� �� � ���� ��� ��� ��� ������ SiO2

����� ����� MgO ��� ��� ��� ����� Mg# ������ Mg# = Mg/(Mg + Fe) �!��

� ���� "#$$% &��������� ��� '���� "##( � ��� ��������� ������� ����� � ��� �

����� SiO2 ����� ������ MgO ��� ��� ��� ������ Mg# �!�� � ���� "#$$ � )����

� � �� ������ ���� ��� ����� ������ � � �� �������� �� �������� ���������*

���� �������� � ������ �� ���������� �������� �&��������� ��� '���� "##( �

+���� �"#$$ ����� �� ���� ���� ��� ���� ������� �������� ������� � ��

,�*�������� �� ���� �� �� ������ &� ��������� ��� ��� ����*� ���� �* ���

���*����� �� ����� ����� �� ����*����� �� ��� � �� ������ �� ������ ��� �� ��� SiO2

��� Al2O3 ��� ����� ��� �� ��� MgO �� ���� �� � ����� Mg#� ��� ���*����� �� ��� �

����� ������� ��� ��� ����� �� ���� �*����� �� ��� � ����� ��� �� ��*�������

)��� �� �������� ������� �� $-## ������� 75% ����� �������� � �� ���� ���

����� ���� ��� ������� �� �������� �� ����* � ���� �* � ���*����� �� �������

��� �� �� � �� 20% � 60% � 20% �+����� "#$$ �

5.2 Methods

�� ����� � ���� �������� �� �������� �� ����� ���*���� � � �� �� ����� .���

������ �� �� ��*��� ����� �� �������� �� )����� ��� ����� ��� ����� % /�0��� � ���

�"#$1 % ����� � ��� �"#$1 � �� ������� � ������� �������� �� � � 23 ����*����� ���

������*������������� ������ ��� ���� �� 4����� 5�

6������ � +���� �"#$$ �� �� ��� �� ���� �� ������ ���� ����� ���� �����

�������� ���� �� �� ��� ��� ��� ���� ����� ,�*������� ���� )��� 1�$ 7

$25

Page 151: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

������ �� ����������� ��� ��� ���� �� ����� �� �� ����� ���� � ��� ����������� ���������� ������ ��� ����� ��� � ���� �!

LP (P, T ) =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

T ≥ 760.0 + 273.15− 60.0 ·(P − 1e9

1e9

)2

T ≤ 1000.0 + 273.15− 150.0 ·(P − 1.2e9

1.2e9

)2

P ≥ −5e8 · T − (870.0 + 273.15)

220.0

P < 1e9

�����

MP (P, T ) =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

T ≥ 760.0 + 273.15− 60.0 ·(P − 1e9

1e9

)2

T ≤ 1000.0 + 273.15− 150.0 ·(P − 1.2e9

1.2e9

)2

P ≥ 1e9

P ≤ 1.5e9 + 7e8 · T − (700.0 + 273.15)

200.0

�����

���

Page 152: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

HP (P, T ) =

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

T ≥ 1000.0 + 273.15

T ≤ 1100.0 + 273.15 + 50.0 ·(P − 3.5e9

3.5e9

)

P ≥ 2.35e9 + 1.5e8 · T − (1000.0 + 273.15)

100.0

P ≤ 5e9

�����

���� ���� ��� �� ��� � ���� � ����� � ���� ��� ���� ���� � ��� ��� ���

����� � ������ ������ �� �� ���� ����� � ��� �� �� ������ �� MgO �����

���� ����� � ������ ��� � ������� !""��

��� �# � ������� �������$��������������� %��&'%( ��)� �*���� ��) + ��� !!,�

� �) �� -����� . )�� �� ���� ���$������ �������� �� ����� ��* �� �

��� �� �� �/��� ��� ���� � �� 0�$������ ��� ����$� ��)� �$ ��) ���$��� ��

��* � ��� ���� �� ������� ��� �� �������� �� ��� ��* �� ��� �� ���)�

1��� ������ ��� ���� ��)���) ��2� �������� �� ����� � �� �) ����� ��� ��

�� ���� )���� 0�$���)�� � �/�� ��� ���� � ��� �� �������� �� ����$ ��0�

�3� ������� ��)� �$ ��0� �3� ��� �� �� ���$��� �� �&0� �3� ���"�� ��* �� �����$

������

5.3 Results and discussion

5.3.1 Occurrence of mafic hydrated partial melt and TTG source regions

4�� ��2� ���/ ��� ����� ������ ������ ��3� � �5�� �� �������� ��3� � �6�� ������

� �� ��� ����� .�"� ��� ����)���) � ���� ��)���) �������� ����� ��2� ��

����� ��� ��������� ���) �� ��*$��/� ���� ��� ������ ������ �� ���)���� ��

�� ����� ��� ���� ��� �� � ���� � ���/ ����������� ����� �� �������� �����

������ �� �� ����) ��� �������� �� �� �� ������ �������� ����� ����� ����� �

7���$)�����)8 ��) � ��� ������� � )������) � �� ����� � �� Mmin = 2%� 4��

� ���� ������� �� �� �����$)�����) ��� ��� �� ��) �� �� �����) �������� �����

��)���) �� ��� �� �9��� �� � � ���� ���� ��)�� )������� 4 ��� �� ��� ����

9��� .�".� �� ��������� ��)�� ����� ��� � ���/ �� �� ��� �� �� �������� �����

��)���) ��2� �� ���� 2−3Myr �9��� �� �� ����� �� � ���� �� ����)��� �� ��

"�:

Page 153: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

��������� �� �� ������ ����� ������������ ����� �� ���� 15Myr �� ����� ��

������� ������ ����� ���� ����� ��������� ����� ��� �� 20Myr ��������� �� � ��

���� ����� ������ ��� �� ���� 60Myr �� ��� ������� ���� ������ ����� ����� ��

������� �� 80Myr �� ���� ����� �� ���� ������� ������ ����� ����� �������

��������� ��� ��������� �� � �� ���� ��� �� ���� �� �� ���� ���� � �������� ��

�� ���� ����� �� ���� ������� ������ ����� ����� �� ����� ����� ��� ���

����� ����� �� ��������� ����! ��� ���� ����� ���� �� ������ ��" ��� �

���������� ����� �� �� ���� ���� ������� ����� ��� ������

#��� ������� ������ ����� ����� ��� ������ ����� ��� �� �� ������ $ %

������� �� ������� �� ��� �� � ������ ������ ��� ������� & ���� � ����������

�� & ������ ������� ��� �� ��������� ���� ����� ����� ����� �� ����� ��

���� ������� ������ ����� ������ &������ ∼ 30% �� �� ���� ����� �� ����

������� ������ ����� ����� ��� ���� �� �������� �� & ������ �������! ���� �

��� �� ������ ������ ��� �� �� ��������� �� �� ���� ����� '�('��

)������� ��� �� & ������ ������� ��� ����� ����� ��� ��� �� ����� ���� ������

�� �� ��������� ����� *������! �� ��� ���� ���� ��� ��� �� ����� ����� ��

������ ������ ��� �� 80Myr! ����� �� ������� �� �� & ������ ������� ���

������� ∼ 30% �� �� ���� ������� ������ ����� ����� �� ���� ����� ��� ����

�� ������ $ %�������� � �������� �� �� & ������ ������� ����� ��� ����

����� �������� ���� ���������� ������

5.3.2 Distribution of TTG source regions into distinct PT-windows

+� ���� ��, �� ���� ����� �� ������� & ������ ������� �� ��� ���� �� ���� ���

�� ����� ���� �� ����� �� 100% ��� ��� ������� � � ��������� �� & ������

������� ����� ���� *$! #$ �� -$ ������� �� ���� ��� ��� ������� ! ��������� �� �

���� ��� ��� �� ��������� �� *$ & ������ ������� ��� � ����� ��� ��� �� ���

�� *$ ��� #$ & ������ ��������

&������ -$ ��� #$ & ������ ������� ��� ��� ���� �������� ��� *$ &

������ �������� +� �� ��������� ���� �����! �� *$ & ������ ������� ��� ��������

�� �� ��������� �� �� ���� ��� ���������� ������� #$ ��� -$ ������ �������

���� ������� ����� �� ���� 20Myr ����� ��'��� ����� �� ���� 60Myr �������

�� ������� �� �� #$ & ������ ������� ��� ���������� � �� 100%� �� 80Myr �

(,.

Page 154: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

Volu

me

of m

afic

hydr

ated

par

tially

mol

ten

crus

t in

tota

l vs

TTG

-sou

rce

regi

ons

[km

3 ]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2× 107

Time [Myr]302520151050

0

1

2

3

4

5

6

7 × 106

Time [Myr]180160140120100806040200

TTG source regionstotalD0bD100bC20 (with hydration)B20 (with hydration)A20 (with hydration)D100D20D0C20B20A20B100bE100bb

a

������ �� ��� ��� ���� ���� � ������� ����� �������� ���� ����� ��� ���� �� ����� �� �������� �� ���� ���� ���� �� ���� ���� ��� ������ ���� �������� ��� ���� � ������� ������������� ���� ����� ����� �� �� ��� � ��� ������ ������������� ��� �� ����� ��� ���� �� ������� � �� ������ �������� ��� ! "������ � ��� ���� 30Myr � ���� ��������� �� ������

�������� �� ��� � �� ��� ��� ���� �� ��� �� ��� ���� ����� �����

������� �� � ������� �� 5% ��� 70% �� ��� 25% �� ��� ���� ����� � ���� ���

���� �� �� ∼ 10Myr! �� ����� ���������� �� ������� �� �� ��� ���� �����

"#$

Page 155: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

���� ���� � 0% �� � �� ��������� �� �� ��� ������ ������� � � � ��������� ���

��� � ���� ���� � � �� �� �� ∼ 40%�

�� ���� ����� �� ��� ������ ������� ��� ���� �� � ��� ��� �� �� ���� �������

� ���� ���� � 100% �� ��� ������ �������� �����! ��� � ���� ���� �� 10Myr

� ��� � 80Myr � ����� �������� �� � ��� �� ��� ������ ������� ��� �� ��������

���� ���� � � ��������� �� 20% �! 50% �� ��� 30% �� ��� ������ �������

"#��� $�%�&� ���� ����� ����� ���� ���� � �� ��� ������ ������� ��� �� �

��� ������ ������� � � � �� �� ��� 20Myr �� ���� ���� ����� ���� �� � ���� ��

�� ��� ������ ������� � 30%� ���� �� �� ���� ���� ��� � 10% "#��� $�%�&� '�����

��� �� ���� ���� ���� ��� �� �� ���� ������� ����� � �� �� ���� �� ����� ��

��� �� �� ������ ��(������

5.3.3 Interpretation of TTG source region development with regard togeodynamic model development

'� ��� ������ ������� ��� ������ ������ �� ��� � ��� ��� ��� �������� �� ��

����� ����� ���������� ���������� � �� ���� ���� "#��� %�)�&� ��� �� ����

������ �� �������� ����� 20− 80Myr �� � ������ �� � ������� � *��� ������

�� ����� ����� ��� ���������� ���� "#���� %�+� � %�+�&� '� � ������ ����

�� ����� ���� ����� ������ �� �� ��� ����� ���� �� � � �� �� �� � �� ����

�� ����� �������� �� �� ���� � ����! ���� � ����� � ��� �� � � � ������

��������� �� ��� ������ ������� ���� ���� � ���� � �� �� ��� ������ ��������

���� ��� ���� ����� �� �������� �� � ���������� ������� ����� ��� �������

���� ���� ∼ 10Myr ��� ����� � 80Myr� ���������� � ���� ���*��� �� ���� �����

������� � � ����� ������ ���� ���� �� �������� �� �� ��������� ��� ��� ����

"#���� %�+� ��� %�+�&� ���� ��� ���� �� �� �� ����� ����� �� �� �� ��� �

��� �� � � ���� �� �� ��� ������ ������� ����� ��� �� �������� �� � ���������

� �� ��������� ��� � ��������� ��� ��� ���������� ��� (��� � ��������� ����

��������� �������� �� ����� �� � �� ��� �� �� �� �������� ���� �� ������ ����

�� �� � � ������� � ��� ������ �������� ,��� �� ���������� ������� ����!

������ ������� �� ���� ���� ��������� � ��� ������� �� �� ��� ���� ���� �������

� �� ����� � �� �� ���� ��� ���� ��� ��� ������ ������� ���������� �����

� �� �� ��� ����� ������ �� ������� �����

)-.

Page 156: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

����� ����� ��� � ���� �� � ����� �� ��� ������ ��� �������� �� ��� ������

��� ����� ������ ���� ������ �� � ������ ����� ���� �� ��� ���� �� ��� �������

�� � ��������� ���������� � ������ ���� �!�"� #�� ����$���� � � ������ ����

������� ��� ��� ������ �� ��� ������ ������� ����� ����������� �������� �

���� ����� �� ��� �������� ������ % � $��� ������ ����� ��� ����� � ������

����� �!� �� �!�" ��� � ������� ������� �� ��������� � ����������� �����

��� ���� ����� �!� �� �!�"� #�� ������� ���� ������� ������� �� �������

&' �� (' ##) ������ ����� ����� �� � ��������� �� 20% &'� 50% �' �� 30%

(' ##) ������ ������

����� ����� ����� ��� � ���� ����� ������ *� ������� �������� ��� ��� ��������

����� ������ ���� ������ �� � ����� ��� ������� ��� ����� ����� �� ����� �

�������� �� ������ ���� �� ��� ����� �� ������ ������� ����� �+� �� �+�"� *� ���

����� ������ �� � ���� ����� �� ����� ������ ������ ������� ����� � ������ ���

��� �������� ����� �� ���������� �� ##) ������ ����� �� ����� ����� ��������

�� ����� ����� ��� ������ ������� �' ##) ������ ����� ��� ��� ��� 50Myr�

,�� �� ��� ����� ����� ������ �� ��� ����� ����� �������� ��� ��������� �� �

����� �� �� ����� ������� ����������� ������ � ���� �� �������� �� �������

������� �� ��� ����� ��� �������� �� � ������� ���� ����� ����� ���� �+"�

-���$������ � ������������ ���� &' �� (' ##) ������ ����� �� 80Myr� ��

� �� �� �������� ��� ��� ��� ������ ��� ���� �� � ����� ������" �� ����� �� �

����� ������"� ���� �� �.���

����� ��� ��� ��� ���� ����� ����� �� ����� ������ �� � ���� �� � ����� ��

��� ��� ������ &������� �������� �� ��� ����� ������ ��������� �������� �

������ ������� #�� ����� ��� ��� ������ �� ����� �� � �������� �������� ����� �����

� ���� ����� �� ��� ����� ��� ������ ��� � �� � ������ #�� ��� ����� ����� �

������� �� ��� ��� ����� ����� ����� �� ��� ��� ������� ���������� �� �

##) ������ ����� ��� ������ �� ��� ������ ,����� 20− 80Myr ��� ����� �.����

� $��� ������ ����� ����� ������ � �� � �������� �������� ����� ����� � ������

�� ��� ����� �/� �� �/�"� * ����� ������ �� � �������� �������� ����� �����

������ �� 80Myr ������ ��� �� �� ��� $��� ������ ����� ����� �/� �� �/�"�

#�� ������ ����� ������� ������� ����� �� ��� ������� �� ����������� ������

������ ���� ��� ���� �� ����� ������� �� ���������� ������� ����� �/� �� �/�"�

&������� ����� ����������� ��������� �� �������� �������� ����� �� � ����� �� ��

���� �� �� �� ��� �� �� '#���������� ��� ##) ������ ������

0 1

Page 157: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [Myr]43.532.521.510.50

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [Myr]1614121086420

Perc

enta

ge o

f sta

cked

low

-, m

ediu

m- a

nd h

igh-

pres

sure

TTG

-sou

rces

[%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time [Myr]180160140120100806040200

HP+MPHPD100bC20 (with hydration)B20 (with hydration)A20 (with hydration)D100D20D0C20B20A20B100bE100b

b

a

c

Initialplume

growth phase

Overturnevent

growth phase

������ �� ��� ��� ����� �� ������� �� ����� �� ������� �� ����� ���� � ��� ��� � ������ � ������ ��� ���� �� ��� ����� ����� �� ����� ���� ��� ����� ���� �������� ��� �� ������ �� ������ ���� � ��� ��� � ������ ����� ��� ������ ���� �������� ��� �� ������ �� ��� ��� �� ���������� ������ ���� � ��� ��� � ������� ��� � ������� �� ��� �� 16Myr �� ����� ����������� �������� �� � ������� �� ��� �� 4Myr �� ����� ����������� �� ������

���

Page 158: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Time [Myr]

1801601401201008060402000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

MP

LP

HP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

180160140120100806040200

MP

LP

HP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

180160140120100806040200

MP

LP

HP

b

a

c

Perc

enta

ge o

f sta

cked

low

-, m

ediu

m- a

nd h

igh-

pres

sure

TTG

-sou

rces

[%]

Initialplume

growth phase

Overturnevent

growth phase

Page 159: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

5.4 Conclusion

�� ���������� ��� ��� �� �� � � �������� ����� �� �� � ��� ��� ����� ������

�� �� �� � � ��� ���� ��� �� � ���� ������ ��� ����������� ������ ����� � ������

������ �� �� �� �������� � ����� ���� �� � ���� ��� ��� � ���� ������ ��

� ���� �� �� ������ ��� ��� ���� �� ���� � �� �� ���� �� �� !"#$"#%"

��� ����� ������ ������ � ��� � ���� ������ ����� �� � ��� ��� ���� ��

������� ��� ��� ����� ���� 0 − 70% !" ��� 100 − 30% $" ��� ����� ������

��� �� %" ��� ����� ������ �� ����

&����� �� ��� ��� �� � � �������� ����� �� �� � ��� ��� ����� ������

�� � ������ ������� ��� � ��� ��� ����� � � ��'� ���� � ���� ��� ��

!"#$"#%" ��� ����� ������ ��� ���� � � ����� ������ �� $��� �()**�

� � 20% %"� 60% $" ��� 20% !" ���� �� �������� �� � � ���� ������ �� �

����� �� �� � ��� ��� ����� ������ � 80Myr ��� �� � � ������� ��� � � �����

��� �+�� , (�� �� �� � � � ����������� ��-� �� ���� �� �� !"#$"#%"

��� ����� ������ � � ��� �� ����� � �� ������ ��� �� ��� ������ ��� ��

� ����� ����� ����� �� ��� ���-�

. ����� �� � ���� �� /����� ����� ����� �� ������ � � ��� ������

��������-� � ��� �� ���� ��� ������ ������ � ���� ∼ 10Myr ���� � �� �

��� ��� ���� �� � �������� � ����� ���� ��� ������� �� ���� ���� �� �����

�� ∼ 100Myr

References

" ������ � %�-��� �� ��� 0 &���� �� ��� ��� �� ����� ��� � ����

� ��� �� ��� ��� �� ���� ���������� ����� �� ������ �������� �������������

����

� ������� ��� � ����� ����� ����� �� !� ����"����� # ��$�����"� ��"� �% � !������

!"������$ ����"��� ������� �� ����� ���� �� �����

� & ����� ��� % # ' �� �"( �� ��������������� !���"� )"� !"������$ ! ��������

*���"������"�������� ����!"�!��������� ��"(��!� ������� �� �� ����� ��� ��������

��������� �+������,����� ���-

��

Page 160: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������

�� �� ����� � �� � ��� �� ���� �� �� ������� ��� �� �� ��� ��� ��� � �� �����

�� �� ��� � �������� �� �!��"���!��� �!��!� ��� ��� �� ���� ������ #$%&%#%%'(

$$)*$$# $+)#�

,� -�./��.�� � ��� �� 0�� � ����! ��� �1 �� ��� ���� �� ��!� � ������ 223&%))3'(

4))*4)% $++5�

,�"�� �� 6�� �� 6!7 ��� �� �� ,���� �!������ ��� ��� ������ ��� ���� �� ��� ���

����� ���� �� ����� ��� �������� �������� 38(#8*8+ $+))�

��"9� ������ ��� ��� ��� � �������� ���� ��������( �� ��������� �����:����� ���

�������� 1�� � ���"!��;!� �� ���� �� ��� 1�� �������� ��!� �� ���. �� ������ )$3

&)*2'($)*35 $+))�

�� ��<��� �� ����� 0� � =.� ��� �� ���.�� ������ ��� �1 1����� ��!� �� �� �������(

� ���������� �������� ��� �� ���� ����������� ������� $%)()84*$$2 $+)#�

)22

Page 161: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Chapter 6

Conclusion and outlook

��� ���� ����� � �� ���� ������ ��� �� ���������� ��� ������� ��� ����� �� ����

������ �� ���� ������ ��� ����� ������ ������ ��� �������� ��� ���������� ���

��������� � �� �� ������� ����� ������� �� �� ��� ������ �� ����� ��������� �� ��� ��

����������� ������ ���� ���� ��� ����� �� � ����� �� ��������������� � ���������

���������������� ��������� ������ �� ������ ������ ��������� ������������� ���

��������� ������� �� �� � ������� �� ��� ���� ���������� ����� ������ �� ���� ����

��� ��������� ������� ����� �� ������ ���������

6.1 Main achievements

!��������������������� � ������ ������ ������� ������ ������ ��������� �����������

��� � ��"����� ���� �� ��������� �� ��� ����� ����� �������� �� ��� ������� ���� #�

�� ��������� ��� �������� �� �������� ����� ��� ������� ����� ��������� ����� �� ���

�� � ����������� ������ � ������ ������ ��������� ����������� Tp $ΔTp = 0−250K�

�������� �� ����������� ����������%� &������ �� ��������� �'��������� ���������� ��

������������ ��������� �� ����������� ������ ������������ $ΔTp = 0K%� �������

�� ������ ����������� ����������� ��������� ���������� ������� �� ��� ����� �� ���

������������ ����������� ��� ������ ��� ������ ������ (�� ΔTp = 50−100K � ������

�� �������� ��������� ������� ����� �� ����� ��� ������� �� ����������� ���������

�� �� ������������� � ���)���� �������� ���� ��� ��� ��� ��� � ���� �� ���������

�� ��� ���� ���������� � ����� ������������ ������ �������� ��������� ��� ��������

���������� �� ������� ���������� ΔTp = 150− 200K �������� ��������� �� ���� ��

�������� ���� ������� �������� ����������� ����� ����������� �� � ������������ �������

(�� ΔTp = 250K� ��������� �)�� ����� �� ����� �������� ��� ���������� ��������

����� �� ������������� � ����������� ������ ��� ������� ������� �������� ������������

����� ������� ����� ��� ����� ������� � �� ������ ��� ������� ����� �� ����� ������

� ����������� ���������� ���� ���� ������ ����� ���� ��������������� �� ���������

���������� ���������� ������ ��� ��� ����������� ��������� ��������� ��� ����� ����

������� ������ ���������� ��� �� ������������ ������������ �������� �� ��� ��������

������� ��� �������� #� �������� ���� ���������� �������� ��� ���� ��������� ����������

*+,

Page 162: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� �� �� ���

������� ������� �� � ��� �� ��� ������� ��� �� ��� � �� ����� ��� ���� ����

��������� �� ���� ��������� ������ ����� ��� ���� ��� ������� �� �� ������

����

��� �������� �� ����� ������ �� ������ ������ � ���������� � �� ��������� ��

��������� ��� ����� ������ � � ���� ��� �� ���� �� �� ������� �� �������� �����

��� �� ����� ������ �� ���� � ��� �������� ����� �� � ��� ������� �� �� ��

�� ����� ��� � �� ���� ������ � ����� � �� ���� � �� ������ ������� �������� ���

��� ���� �� �� ���� ����� ���� � �� �� �������� ��������� � ���� �� ���� ��� �

���� �� ���� ��� �� ������� � ����� �� ������ � ����� �� ���� �� ����� !"��#�����

$%&'( ��� �������� ���� )� �� ��� ����� �� ����������� ��� �� *�� ������ ��� ��

���� �� ������� ��� ��� �������� ������� � ������ � �������� ���� �� �� � ���

����� � �� � ����� ������� � �� �������� �� ��� �� �� ����� ��� �� � �� ��� ���

+� ���� ���� �� �� ��� ����� � ������ � ������ ��� ���� �� � ������ ��� �����

����� �� � �� ������ �� �� ���� ����� ��� �� ��� ��� �� ����� �� ��� ������ �

*��� ��������� !,�� -�������� � $%&&. /��� � &000(� ���� ����� �� �� ����� �1�

���� �� �� ��� ������� ����� �� ��� ��� ������ ��� ��� ����� ��� ����� ��

������ ��� �� ���� ��� �� ��� ��� ���� ������� �� ������ � �� /������ �������

�� ��������� � 2����� !$%&�( �� ���� ��� � �� ��� ����� ����� !2���� ��� +����

$%&�(� 3� ��������� �� ���� �� �������� �� ����� ����� �� ��� ��� ������ ��

������ ��� ���� �� ���� ���4 !&( / ���� !80−100Myr( ��� ���� ���� 5�� 6���� �

�����7 ����� �� ��� �� � ���� � �� ��� ��� �� ��������� �������� � !$( � ����

!∼ 20Myr( ��� �� �� ������ 6������� �����7 ����� �� ���� ��� � �� �� ��� ���

��� �� �� �������� ��� ������� � ������ �� �������� ��� �� �� �������� ���� ������� �

�� ��� �� �������� ���� �� �� ��� ������ ���� ����� �� ��� �� /������ � �������

� ����4 -�8��� ��� 9��� !&00$(. :����� ��� ��� -� �� !$%%&(. ;<���� !$%%=(. ���

������� � ��� !$%%>(�

�� ����� ������� �� �� �������� �� ����� ������ � ���� ������ � ��������� � ��

����� ���������� �� �� �� ��� �� ����� ��� �� ������� ��� �� ��?�� +� ���� ���

������ �� �� �� ��� ����� ������� �� ����� ������ ��� ������������ ��?� ���������

� ���� @������� ����� ������� ���� ���� �� ��� ��� ��� �� ����� ��� � ���� � ��

�� �� ����� ����� ������� ����� �� ��?� ����� ���� ����� �� ���� �� ����

��� ����� ��� ������ ���� �� ����� ������� ���� ����� � �� ��� ����� ������� �

2��� !$%&&(� +� �������� ������� �� ��?� ��� ������� �� � �������� �� �����

�� � ����� �� ���� !10Myr( ���� �� ������ ��� �� ����� �� ∼ 100Myr�

&'=

Page 163: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� �� �� ���

6.2 Areas of future research

6.2.1 Implementation of felsic crust formation in I3ELVIS

��� ������� ������ � �� ������ �������� ��� ���� ���� ��� ��� ����� ���

���� �� �������� �� ��� ��� ������� ������ � ������ ������ �������

�� �������� ��� ��� ��� �� ���� ��� � �������� �������� �� �������� ����

�� � ������ ���� ��� ����� � !"� ��� ������ �� ��� ��#�� $������ �� ������

��� ��� #��� ��� �� ��� ���� �������� ���� ���� �� %��� ��� �� $�� �

��� � �� &����� '����� ���� ����� ��� �� ����� �������� ��( ��� ���

���� 4.0Ga ��� �'����� � )"� ��� ���� ������ ����� ��� ����� *���� ��

�� ��� �� 4.0Ga� ����#��� ������ �� �� � *���� ��� ��� �� �� � 4.4Ga ����

����� �� ��� ���� �� ��� � ��� � � #��� ����� �� �'����� � )"� $ ���

�� ����� ��� ��� � ��� ������� � ���� � �� ����� %��� ����� ����� ��� ��

����� ������ ����� �� ���� �+���� ������ � ��� �+���� ����� ���

��� �� #����� �� �������� ��� ��#� ���� ����� �� �� #���� ����� � �� '�����

� )� ��� ��������� �����"�

,� '����� ) �� �� ��� �� ��( ������� � �� �� �� � � �� �� ������

�� ���� ������� ����� ��� � ���� ��( ����� ���� %#�� ����� � ��� ��#�

���� �� � �� �� �� ��� � ��� ������� ����� � �� �#���� �������� -

������ ����� �� ��( ����� ��� ��� ������� �� �� ��� � ��� �������

.����� ����� ��#������� �������� ������ �� �� ��� � ��� �� �� �� �/��

#����� �� ��� � ��� �#�� � �� ��� ������� ����#��� �� ��� ���� �� ��� � ���

�� ������ ������ � �� �������� ����� ����� �� ����� �0���� 1�2�2"�

.������ �� ��� � ��� � ��������� �� ������ ������ � ����

.������ �� ��� � ��� �� ������� ���� ����� � �� �3 #�� ��� ,�%45,0� �� �

���� �(���� ��� 6���� � 2"� 0*�#� � ��� �� 7)" ��# �� � �������� � �� ����

��������� �� ����� �� ������� ��� �������� ��� ��� ��� ��� �� �������� ��

��� � ��� � �� .�� !�7"� 8�� �/����� ���� ���������� ����� ������ ���

���� �� � ���� #������ �� ������ �� ��� ��� ���������� �� ��� ��� ���

��� ���� ���� ���� �" ��� �

,���������� �� � ����� ���� �� �� 0*�#� � ��� �� 7)" �� �� 23 ����

,2%45,0 ��� �� �� ���� ������� � ��� ���� � �� � �� �������� ����� ���

719

Page 164: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

< 100 yr

> 80Myr > 12months

6 − 9GB

Page 165: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

6.2.2 Outlook II: Refertilisation of depleted mantle by delamination of eclogite

Page 166: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� �� �� ���

��������� ������ ������������ � �������� �������� ����� ����� ��� ���������� ��

���� ������� � ��� ����� ���� ���������� ������� ������� ������� ��� �������

� �������� �� �������� ������ ��������� ����� ���� �� � ������� �� ��� �����������

������ � � ������ ����∑

nMext! ����� �� �������� ��� �������� ������ �� ����

� ������� �� ����� �� �� ������� ���! ��� "����� �� ��� ����������� � ��� ���������

6.2.3 Outlook III: Long-term global models

#�� "��� ���� ����� � �� ����� ��� ������� ���� � ��������� ��������� �� � $%

�������� ������ #�� ������� ���������� ����� ������� ��� �������� �������� ��

&����� �! �������� ��������� �������! ��������� � ������ �������! ������� �

������� ���� ��� ��� �������� ����� ���������� ' (��������) ��� �� ����� �����

����� �� � ������ ����� �� ���� � ≥ 80Myr �� ��*�������� �������� � ������ ���

����������� ����� ��� ����������� �*����� �� ���� ������� ����� ���� ����� �

��� � ��� ������� ����� ����� �� ����� ���� ������� �� ��� ������� ��������� #��

"��� ����! ����*�! ����� � �� ����� ��� (��������) �*������� � ��������� ���������

��� �������� � � �� �� � ��*� ��*��� �*���� �*����� ���������� ��� ��������� ����

������ ��� ������� � ����������� ������ ��� ��� ��������� � ����������� ������

�� ���� ���� � ����� �����! ������� � ����� ���� ��� �� � �� ���� ������������

� �������� ������ � ������������ � �������� �� �������� ����������� �� �����

����! ��������� � ��������� ������� �� ��� ���� �� ���� �� � ������� �� ���������

������� �*� ���� ������ � ����� ���� ��������

References

+� '���� ,�� ��� -��� *�������� �� �� ����� ����������� ������� �� ������

�� ��� .���� ���/ ���������� �������! 01�$23�4�552��3! �000�

6� 7� 89���� :*������ � ;�������������! .������%�*��! 7����<��� =����������

�� ��� '������ =���� 8����! +����� ������ .�*����! &������ �� ������ ��

�������! ������4�>$2�?5! �??$�

6� 7� 89���� ' ��������� ���������������*�� ����� � ������� ������� � '������

���� ��� �� ������������ ����������� ������� ���������� �� ������������ ����!

1?�5�4��>>2���3! �??��

�5?

Page 167: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� �� �� ���

�� �� ������ �� � �� ������� �������� ������������� �� ���������� �� ���

�������� ������ �������� ��� !"#$ %#$�� �& ��

�� �� ������� � �� ������� �� '� (� )������� )�� ����� �� ��� �*��� ������ �

������� ��#�&!"�&%�+� �& ,�

-� (� (����� + . (������ �� /���� 01������� 2 ���� � � ����� �� �������

������� ����� �3$%42� *������� '����� ��������� �&&$�

)� 4� 5���� �� 6� *� 7��� (��������������.����� ���8��.�.���� ������ 9��� �����.

1���1� :���.��;������ ������� ��� ������� ���������� <�9� 9��� ������� 1�������

�������� ����������� ���� � �� ��� ���� �� ������� ����� ���� �&��!"�#,%, +�

�&&,�

� �� ������ �� �� �� ������� (������ �1������ �� ���������� � � �.�����.

������� *������ 0����" (��������� 9��� 4���� 2 ������ �� �� ����� �����

�� ���� � ��� ����� � $%�# � �������� �& ��

� �� ������ �� �� �� ������� 2��������� ���9�� ������.��8� =�����>� ������ ��

����� <�9 � 4���" ���1��� ������������� �� 0���� ��������� ������ � ���

���� ������� ��� � ���� � ���� �& � !",�?%,$3� �& $�

(� ��98��9���� �� *� -���� 01������ �� ��� �������� ������ ����� ��,�? ,!"

+ %+ ?� �&&3�

(� ���@����� 0���� 0����" *������ ������ ���� ���� ���� ?� !"?%+� �& ��

*� -�A�� �� '� B� ����� (���� C������� �� '���� /���� � ��� 0���� *������

� ���� �$3�$&3�!" �&$% � � ##��

B� �� /���� �� *� *� 5� B���� ����.���� 0����� ����� $& �?�3+!"$& %$&$� �& ,�

� /������ 0���� ������" * ��������� �� ��� *������ ������D� ����� $& �?�3+!"

�#3%�#?� �& ,�

��.C� /���� )�� ��������� *������ ���� �������" '����������� ����:����� ��

�1����� ��� � �.��E�� ������� ������ ��� *������ ������� ���9��� � ����� �,

� %�!"� %,3� �& �

0� ��@�1�� )� 5����� -� ��F9�� �� /� ���9� 5������� �� ������ ����� � ��� *�����"

* ��������� ������� ���������1�� ������ � ������� �? " #+%���� �& $�

$

Page 168: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

������� � ��� �� �� ���

�� �� ��� ��������� ��� ������� ���� �� �� ��� �� ������� �������� ����

���� �� �������� ������� ��� ��������� ������� �� ����� ��� � �������� ��

� !"#$�%# &� &�''�

(� ��� )����� *� �� ������ �� +� (� ��� � ���� +����,�� �� �� ������� �������-

�� ���� �������� �� .�� ��������, �� �� �������� �� /����� ���� �� �����

������ �� �� ��� � ��� ����� ��� �� ������ ' ��$!"&01%#' � &�� �

)� /� 2��� �� (� /� ��� ���� ��� +����� �������� ���,����� �- �������

��,�������� �������� &3�'&!"'�0#%'�0�� &��'�

' &

Page 169: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Acknowledgements

���� ������ ��� �� �� ������ ���� ��� ��������� �� ���� �� �� ������� � �����

���� �� ���� ��� �� ������� � ����������

����� �� ���� ���� � ����� ���� �� ������� � ������ ��������� �� � ����������� �����

��� ����� ����� �� ��� ��� ������� � � ������ ������� ���� � ������� �����

� �����!� ������ �� "�# ����� ��$��� � ������� � ������� �� ������ ����

���������� � ��� ���� ������� �� ��� �� � ��� �� �� ����� � �����!� ������ ����

��� ���������� �� ���� � ��� �������� ����� � �� � ���� �� "�# � ��%���

���� ��� ��� ��� ���� ���������� �������� ����������� ������� ������ �� �����

�������� ��� ������� � ����� ���� �� ���� �� ��� ��������� � �� ��� ����� ��

������ ��� �� � ������ ������� �� ��� �� ���������� ���� � ���� ��� ��

����

� � ���� �������� �� ����� ��� ���� ������� ��� ����� � ��� ���������� �� ���� �

��� �� ����� �� � ��� ������ �� �� ����������� � �� ���� �� ��������� ���

���� ��� ������ #�� �������� &'� ������ ������� � ������! ��� �� �� � ����������

����� � �����!� �� "�#� � ����� ���� ���� �� ���� �� ��� ������� �� ��� ��

� �����

� ����� ���� ���� �� ���� ��� (���� �� #�� ��� ������� �� ��� �� � ������

�� �������� ���� ������ �� � ����� ���� �� ����� � ��������� �� �� ��� � ����

�������� ������ �� � %��� ������

� ���� �� �� )*+,� � ��� ��� ���������� �� ����� �� ����� � -����� ������ �

� ���� �������� �� ����� ��� -����� .�/�� ��� �������� ��� ���������� �������� ��

��� 0������ �������� ���� � ����� ���� ���� �� ���� ����� ��� ���� �� 1���

��� �������� � %��� ���� �� ��� 2� ���� ����

����� � ��� � ��� ��� ����� �� ���� ���� �� ����� ������ � ��� �� �����

�� � ����� ���� �� ���� ��� ���� 0�� � ���������� � ����� ���� �� ���� ����� ���

����� ����� ��� ������ �� ��� � ������� ���� ��� �3"24�5 ���� �� ��������

�������� ��� ��� $����� �� ��

-� �� ������ � ���� � �� ��� ��� ������ ��������� � ���� ����� �������� �

���� � ����� ��� ��� ����� �� ��������� � ��� -��� ����� ��$��� � �������

+63

Page 170: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

�������������

�� ��� ������ ���� �� �� ��� ��� ��� ������ �������� ��� � ����� �� ���� ��

������� ���� ���� �� �� ��� ��� ������ � ��� ������� ����� ��� � �����

�� ����������

��� ���� ��� ��� ���� � ����� �� ����� ������� ������ �� ��� �������� ������

��� �� �������� ����������� ����� ������ ������

� !

Page 171: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

Curriculum Vitae

RIA FISCHERInstitute of Geophysics – ETH Zurich

Sonneggstrasse 5 – 8092 Zürich – Switzerland

phone: +41 44 633 32 48 – mail: [email protected]

web: http://jupiter.ethz.ch/~rfischer/

EDUCATION

Current Ph.D. student at ETH Zurich, Switzerland

NOV 2012 Thesis: “From early Earth Plume-lid tectonics to present day Plate tectonics: A high-

resolution 3D numerical modelling approach” | Advisor: Prof. Dr. Taras GERYA

SEP 2010-SEP 2012 Master of Science ETH in Earth Sciences, ETH Zurich, Switzerland

Major: Geophysics

Thesis: “Adaptive Multigrid. How to couple Adaptive Mesh Refinement with the Multigrid

method and Self-consistent modelling of planetary differentiation and onset of mantle

convection on Mars. A comparative study in 2D and 3D” | Advisor: Prof. Dr. Taras

GERYA

SEP 2007-JUN 2010 Bachelor of Science ETH in Earth Sciences, ETH Zurich, Switzerland

Major: Geophysics

Thesis: “Pseudo-3D Ground Penetrating Radar imaging of past and present landslides

in the Urserental” | Advisors: Dr. Stefan CARPENTIER, Dipl.-Geophys. Heinrich

HORSTMEYER

SEP 2005-JUN 2007 Bachelor studies in Physics

ETH Zurich, Switzerland

AUG 1998-JUL 2004 Eidgenössisches Maturitätszeugnis (Swiss university-entry diploma)

Kantonsschule Alpenquai Luzern, Switzerland

Major: Physics and Applied Mathematics

���

Page 172: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

PERSONAL DATA

DATE OF BIRTH: 11 July 1985

PLACE OF BIRTH: Zürich ZH, Switzerland

CITIZENSHIP: Switzerland

PROFESSIONAL EXPERIENCE

Current Scientific Assistant at ETH Zurich, Zurich, Switzerland

NOV 2012 Ph.D. Student in the Geophysical Fluid Dynamics group at Institute of Geophysics

JUL 2002-FEB 2012 Programmer and web developer/designer, P.A.Blackburn AG, Lucerne, Switzerland

Implementation and maintenance of customer relationship management application and

setup, design and maintenance of company websites including development of corre-

sponding web applications

FIELD EXPERIENCE

20-28 JUL 2014 Geological excursion to Witwatersrand Supergroup and Barberton Greenstone Belt,

South Africa

Guided by:

A. KRÖNER, Beijing SHRIMP Centre, CAGS, Beijing, China

A. HOFMANN, University of Johannesburg, South Africa

C. HEUBECK, University of Jena, Germany

Martin VAN KRANENDONK, University of New South Wales, Sydney, Australia

6-9 SEP 2014 Field trip to Limpopo belt, South Africa

Guided by: Prof. Dirk VAN REENEN, Univ. Johannesburg, South Africa

RESEARCH VISITS

22-26 APR 2013 Visit with Prof. Dr. Stéphane LABROSSE to Laboratoire de géologie de Lyon at ENS,

Lyons, France

17-19 DEC 2013 Visit with Prof. Dr. Stéphane LABROSSE to Laboratoire de géologie de Lyon at ENS,

Lyons, France

���

Page 173: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

PUBLICATIONS

S. Carpentier, M. Konz, R. Fischer, G. Anagnostopoulos, K. Meusburger, and K. Schoeck. Geophysical imaging

of shallow subsurface topography and its implication for shallow landslide susceptibility in the Urseren Valley,

Switzerland. Journal of Applied Geophysics, 83(0):46–56, 2012.

R. Fischer and T. Gerya. Regimes of subduction and lithospheric dynamics in the Precambrian: 3D thermome-

chanical modelling. Gondwana Research, 2016a. Submitted for publication.

R. Fischer and T. Gerya. Early Earth plume-lid tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach.

Journal of Geodynamics, 2016b. In press.

CONFERENCES ATTENDED

R. Fischer and T. Gerya. Self-consistent modelling of planetary differentiation and onset of mantle convection on

Mars. A comparative study in 2D and 3D. In 10th Swiss Geoscience Meeting, 2012. Oral contribution.

R. Fischer and T. Gerya. Was plate tectonics different in a hotter Earth? – 3D numerical modelling of Precambrian

tectonics. In Crystal2Plate 4th workshop, 2013a. Poster contribution.

R. Fischer and T. Gerya. History and evolution of Subduction in the Precambrium. In LUCKY13: XIII International

Workshop on Modelling of Mantle and Lithosphere Dynamics, 2013b. Poster contribution.

R. Fischer and T. Gerya. 3D Numerical study of the evolution of Subduction in the Precambrium. In International

Meeting on Precambrian Evolution and Deep Exploration of the continental Lithosphere, 2013c. Oral contribu-

tion.

R. Fischer and T. Gerya. Was plate tectonics different in a hotter Earth? – History and evolution of Subduction in

the Precambrium. In 11th Swiss Geoscience Meeting, 2013d. Poster contribution.

R. Fischer and T. Gerya. Was plate tectonics different in a hotter Earth? – History and evolution of Subduction in

the Precambrian. In AGU Fall meeting, 2013e. Poster contribution.

R. Fischer and T. Gerya. History and Evolution of Precambrian plate tectonics. In EGU General Assembly, 2014a.

Poster contribution.

R. Fischer and T. Gerya. Evolution of Subduction in the Precambrian and consequences on the formation of

continental crust. In IMA 2014: The 21st General Meeting of the International Mineralogical Association, 2014b.

Poster contribution.

R. Fischer and T. Gerya. Early Earth tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach. In German

Swiss Geodynamics Workshop, 2014c. Oral contribution.

R. Fischer and T. Gerya. Early Earth tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach. In 12th Swiss

Geoscience Meeting, 2014d. Poster contribution.

R. Fischer and T. Gerya. Early Earth tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach. In AGU Fall

meeting, 2014e. Poster contribution.

���

Page 174: From early Earth plume-lid tectonics to present-day …From early Earth plume-lid tectonics to present-day plate tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach Ria Fischer

R. Fischer and T. Gerya. Early Earth tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach. In EGU

General Assembly, 2015a. Poster contribution.

R. Fischer and T. Gerya. Early Earth tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach. In GeoBerlin

2015 "DYNAMIC EARTH – from Alfred Wegener to today and beyond", 2015b. Oral contribution.

R. Fischer and T. Gerya. Early Earth tectonics: A high-resolution 3D numerical modelling approach. In AGU Fall

meeting, 2015c. Poster contribution.

���