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
From early Earth plume-lidtectonics to present-day plate
tectonics: A high-resolution 3Dnumerical modelling approach
Ria Fischer
DISS. ETH NO. 23337
2016
Artist‘s impression of exoplanet 55 Cancri e.Credit: ESA/Hubble (M. Kornmesser)
����� ��� �� ����
���� ����� ��� �� ������������� � ���������� ������������ � ���������� ��� ��� ������� ��������� ��������
������ ��������� � ������ ��� ������ �
������ �� ����� �� � � ������
���� ��� ��� �������
��������� ��
��� ������
!� ��� ����� !�" ��� ������" !#��$��%���
��� � &&�� '�%� &()*
����$�� � +,����#�% �� - !#��$��%���
�������� � ��� ������������ �
.��� ��� ����� /����" �0������
.��� ��� .��% ���1%��" �-�0������
��� '���� 2�� �����" �-�0������
3&4
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 � � � � � � � ��
����� ������� � � ���� ������ � ������ ���� ���� �� ΔTp � � � � � � � � ��
������� � �� ���� �� ��� ����� ���� ����� � ��� ��������� �� � ��
����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
������� � �� ���� �� �� � ������� �� ��� ���� � � � � � � � � � � � ��
������� � �� ���� �� ������� �� ������� � ��� ����� ��
����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
������� � �� ���� �� ������� �� ������� � ��� ��� � ����� ��
������� � �� ���� �� � �� � � ����� � � � � � � � � � � � � � � �!
������� "�� ������� ���#��� ����$��%�� �� ���������� � ����
������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �&
������! � �� ���� �� ����� �� ������� � ��#�� ����� ���� � ��
������& � �� ��� �� ������� � ��� ���� � ��� ���� �� � ����
���������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
������' � �� ���� �� ��� � ���� �# � ����� � � � � � � � � � � � � � � ��
��� (������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
����� )���� �� ������� � �������� �� ���������� ��� ��� �� ��$
���� � �%��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
������� "����� �* +������$� � �������� ΔTp = 0K � � � � � � � � � ��
������� "����� ��* (������� �������� ΔTp = 50− 100K � � � � � � ��
������� "����� ���* ,� ������ � ��� ΔTp = 150− 200K � � � � � � ��
������� "����� ��* +����$��� ������ ΔTp > 200K � � � � � � � � � ��
����� -�� ��� ������ ���� �� �� �� �������� � � � � � � � � � � � � � � � � �!
����� .���/����� � #���$���� � � ����$������� � �� ���� � � � � � � � �&
����� 0�� ��� � �� �� �� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �'
����� 1� � ��� $2 �� ����� ��� � �� �#�#������� � � � � � � � � � � � �'
����� 0 ��� ���������� ��� �������� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � !�
����! ,�� ���� � �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � !�
����& 1���� ����������� �� ���� ����� ���� � � � � � � � � � � � � � � � !�
��� .������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � !�
1��������� �� � ���� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � !�
4 Early Earth plume-lid tectonics 91��� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '�
��� 3����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '�
����� 3��� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '�
����� "������� ���� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � '!
��� "������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ''
����� "������� ���� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ''
����� ������� � ������� �4���� χvolc � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���
����� ������� � ����� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���
����� ������� � ����$������ #� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���
����� ������� � � ����� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���
��� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
���� � �� ��� ���������� ���������� ����� � �������� � ���������
����� � �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
����� ����� � ��������� ���� ����� ��� � �������� ��� ��� � ��� � � � �
���� !������� ������� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
����� � ��� �������� � ����� � ������������ ���"�� � � � � � � � � � � �#
����$ %&��������� '�� ���� ��� �' &&(������ � � � � � � � � � � � � � � � ��
����) ����*����� '�� ��������� ���� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
��$ �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
+�������� �� � ���� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �$
5 Evolution of TTG source regions in plume-lid tectonics 133$� ,��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
$�� ������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
$� -������ � ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � )
$� � .�������� �' � /� ���� ��� � ��� � ���� � &&( ������ ������ � )
$� �� ����������� �' &&( ������ ������ ��� ������� %&�"���"� � � � � 0
$� � ,������� ��� �' &&( ������ ����� ���������� "��� ��� �� �� ����
�� ��� ����� ���������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
$�� �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
6 Conclusion and outlook 145)� � � ���������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �$
)�� 1�� � �' '����� ���� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �0
)��� ,������� ��� �' '����� ����� '��� ��� � , 2!3,+ � � � � � � � � � � �0
)���� .������ ,,4 -�'������� ��� �' �������� � ��� �� ��� �� ��� �'
�������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
)��� .������ ,,,4 !������� ���� � ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � $#
Acknowledgements 153
Curriculum Vitae 155
List of Figures��� ������ ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
��� ������ � ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
��� MgO�������������� ����������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
��� ����������� � ������ ��� ������ ���� � � � � � � � � � � � � � � � � �
��� ������������� ������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
��� !��" ���� � #�$%&#' ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �(
��� �� �������� ��� ������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �)
��� �*������� ������� � ��� ��� ���� ����� ���� � � � � � � � � � � � � � � ��
��� +�� *��" � ��� ���������� ����� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � �(
��� #������ ���������� ����� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �)
��� #������ ���� ������ ���������� �� ��� ���������� ����� � � � � � � � �,
��� +�������� ��-��� � ��� ���������� ������ ������ � � � � � � � � ��
��� $*������� � ��� ����� �� .������ �����/ � � � � � � � � � � � � � � � �
�� $*������� � ��� ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �(
��( $*������� � ��� ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �)
��) $*������� � ��� ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �,
��, 0���*������ � ����� ����� �� ��1���� ΔTp � � � � � � � � � � � � � � �2
���2 &������� � ��� ���� ������ "��� ��������� ΔTp � � � � � � � � � � � ��
���� &������� � ��� *������� "��� ��������� ΔTp � � � � � � � � � � � � � � ��
���� &������� � ��������� ���� ��� ������ "���� "��� ��������� ΔTp ��
���� ��*�������� � ���� *����� "��� ���� �� ��1���� ΔTp � � � � � � � � � �)
���� &����� � ��"� ���� ���� "��� ���� �� ��1���� ΔTp � � � � � � � � �,
���� $*������� � ��� �����*� ����� "��� ��������� ΔTp � � � � � � � � � � �
��� 3����� 4�" ������� � ��1���� ΔTp � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
���( $1����*� *������� ��-��� � ����������� ��� ������� ���������� � � � (
���) '���� � ��� ������� ������ �� ��1���� ΔTp � � � � � � � � � � � (2
���, '����� � 5�������� ��������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � (�
��'� $*������� � ������� � ����� �� .������ �����/ � � � � � � � � � � (�
��'� $*������� � ������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � (
��'� $*������� � ������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ((
��'� $*������� � ������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ()
��'� $*������� � ��� ����� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � (,
��' $*������� � ������� � ����� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � )2
��'( $*������� � �������� � ����� �� .������ �����/ � � � � � � � � )�
��') $*������� � �������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � )�
��', $*������� � �������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � )�
��'�2 $*������� � �������� � ����� �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � )�
��'�� 3��� *����� ������ � ����� ��� � ��� � � � � � � � � � � � � � � � � )�
��'�� 3��� *����� ������ � 4��� ��� � ��� � � � � � � � � � � � � � � � � )�
*
��� ������ �� ��� � ������� ��� � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����� �������� �� �� ��� ����� �� � � �� ��� � � � � � � � � � � � � � � ������ �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������ �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������ �������� �� �� ��� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����� �������� �� �� ��� ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��!��� "�������#$ � � ����� ��� � ����# ������� �� �� ��� ����� � � � �����! %�������� & �' � ��� � '��� ��� '������ � ������� � ' �( ���) ������ �������� �� �� ��� ���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������� �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������� �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� ���� �������� �� �� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������� *��� ���� ����� ��� ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������� ++,������ � )���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���
��� -+����������� ��� ++, ����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ������ "��� �� �����# ��� � �#���� � &���� ��� ++, ����� � )���� � � ��!��� .���( � �� ���) � �� /-0*-01- ++, ����� � )���� � � � � � � � � ������ .���( � �� ���) � �� ++, ����� � )���� ��� � � � �� ��� � � � � � ���
�� �� � ������� �� � ��� ����� ��������� �� ���1"�. � � � � � � � � � � � ��! �� *��� � � ���������� &# ��)�� �����) � � � � � � � � � � � � � � � � � ���
List of Tables��� �������� � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��
��� ����� ���������� �������� � ���� � ����� ��� �������� ������ � ��
��� ��� �� �� �������� ������ �� ������ �� �� �� � � � � � � � � � � � � � ��
���� ��� ��� �� �� �������� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � !�
��� ����� ���������� �������� � ���� � ����� ��� �����"�� ����� ��
������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � #�
��� ��� �� �� �����"�� ����� �� ������ �� ������ � � � � � � � � � � � � � � ##
���� ����� ���������� �������� � ���� � ����� ��� ���� ��� �����"
�� ����� �� ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��$
�
Abstract
���� ������ � �� ��� �� ���� � ���� ����� �� � �� ����� �� ��� �� �� ���
��� ��� � ��� �������� � ��� �� ���� ���� �������� �� � ���� � � ����
�� ������� ��� �� ������� � ���� �� ���� � ������ �� � ������� �������
������� � �� ����� ����� ����� � ���� ��������� ��� � ������ ��� �
�� ��� � �� ����� ��� � ������ ������ ���� ��� ������ ��������� �������
� �� ��� �� � �� !��������� ��� � ������ ��� �� ������� ��� � ����������� ����
����"�� �� � �� � #������ �� ������ � ������ ���� ����� � � �� ����� �
� ������ ��� � ������ �� � � ��� ����� � �������� � ���� ������ ��
����������� � !��������� �� �������� $�� � ��� ����� �� ��� �� �%�� �
��� � ������ � �� ��� �� �����
%� �� � ��� �� ���� #��� �� ���� ��� � � �� ���� ������ ��� &'( �� ����
��� �������� ��� ������ ����� ���� � ������ �� &)( �� ���� ���� �� ��
���� � �� ����� &*������( ��� ��� &+( �� ��� ��� �������� � �� � ��� �
� � ����� � ����� ����� � ������ ���� �� ��� #��� �� �� � ���� �
����� � +, ������� �� � ��� � ��������� ��������� �������� � ������ ������
����� ��� "�� � ��� ����� ������� � ������ � ���� �� � ������ ��� ���
� ������ � �� �� � � ����� ���� ������ � ����� �� ���� � ������ �����
� � ��� ����� � ����� � ���� ��������� Tp &ΔTp = 0 − 250K� � ������
���������� � �� ��(� * ��� �� � ��� ����� ������� � �������� ���� �� �
������� � ���� �� �� ��� ������ ������� �� ���� ��� ����� � ���� �
��� �� � ������� �������� ������ ����� ��� -���� � ���� ���������
� �� � ��� ����� � ΔTp = 250K ��� ������ � �� � � � ����� � � �����
�� ���������� .����� �� � �� ������ � ���� ��� �� � ����� ����� � � ��
������ ������� / � ΔTp = 0 − 50K �������� ��������� � ����� �� � �����
���� ������ �� / � ΔTp = 50 − 100K � ����� � ������ ������ � �������
���� � ��� ���� ����� ���������� ������ � �� � ����������� �� ���#���
������ �� � �� ���� � ��� � � �� � � ������� � �� ����� �������� � �� �� �����
���� ������ ������ ������ � ��� ��� �� ������ �� * ������ ��������
ΔTp = 150 − 200K ������ ������ � � ������� ����� �� ������� ������
�� ������ ���� � ����� ��� � ���� ��� ������ / � ΔTp > 200K �� � ���
�� ������ � � � � ���� � ����� ��� � ��� �� �� � � ����� �� ����� �� � �
������ �������� ������ ����� �� ������ ��� � ��� �� ��� ���� � ���
��"��� �� ���������� ������ �� �� "��� ����� �� �� ���� ����������� �
�������� �� ���� 0� � ������ �� �� ���� ����� � �� � �������� �� ����
�
��������
������� ������� �� � ��� �� ��� ������� ��� �� ��� � �� ����� ��� ���� ����
��������� � �� ��� ����� �� �� ���� ��������� ������ ����� ��� ���� ��� ��
���������
���� � ���� �� �������� �� � ���� �� ��� ��� ������ �� ������ ��� ���� ��
���� ���� ��� ������ �80 − 100Myr� ��� ���� ���� !�� "���� � �����# ����� ��
������ � ���� � �� ��� ��� �� ��������$ �������� � �%� � ���� �∼ 20Myr� ���
�� �� ������ "������� �����# ����� �� ���� ��� � �� �� ��� ��� ��� �� �� ��������
��� ������� � ������ �� �������� ��� �� �� �������� ���� &� �������� ������� ��
�� ���� '�� � �������� �� ���� ������ �������� � �� ��� �� �������� ���� � ���
������� ���� ������ �������� ���� �� �� � � ��������� �� ∼ 100Myr�
(� ��� �� ����� ������� �� �� �������� �� ����� ������ ����� � � ��������� ����
������� �� �� �� ��� �� �� ����� ��� �� ��)���� ��� �� ��*�� &� ���� �������� ��
�� �� ��� ����� ������� �� ����$ ������ ��� ������������ ��*� ��������� � ����
+������� ����$ ������� ���� ���� � ��� ���� ��� �� ��� �� ����� ��� � ���� �
�� �� �� ����� ����� ������� ����� �� ��*� ����� ���� ����� �� ���� ��
���� ��� ����� ��� ������ ���� �� ����� ������� ����� �� ���� �� ���� ����
����� � �� ��� ������ &� �������� ������� �� ��*� ��� ������� �� � ��������
�� ����� �� � ����� ���� �� ������ ��� �� ����� �� ∼ 100Myr�
,
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 �� ��� �� ?����������� ����������
<�
����������
����� ��� 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 �������� ������
:��
Chapter 1
Introduction
1.1 The plate tectonics system
������� � ���� ����
������ ��� ���� �� � � ���� �� ��� ������ �� �� ���� ������ ���� � �� �� ������
��� ����� � ��� ������ ����� ��� ���� ������ ���� ��� �� ��� ����� � �� � �
��� ����� �� �� ������ ���� ��� �� ��� ����� � ��� ������� ��� ��� ���� ����
���� �� � ���� ��� ���� ��������� ��� ���� �� ������ �� �� ������
����������� � ����� ��������� �� ��� �� ��� �! ����� �� � ������� ����� �����
������� �� ∼ 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
������� � ���� ����
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 ������ ���
��� ����� �� ���� $�-� � ��,���� Tp = 1500 − 1600 ◦C �� ����� �� ∼ 3Ga �(��"���
�� � �� )*$*. /������ �� � �� )*$0 ��� 1����� ������ ���� �� (�'����� ���� 1�����
� ������ ���� #��'� �� #��������� �� ���� �� MgO ������ �� 27 − 30% ��2����
��� � �������� ����������� �� 1700 − 1900 ◦C �(��"��� �� � �� )**+ � �� �� �� ���
'������ ������ 1����� ���� � ����������� ���� ������ ��� ���� ������������ ��
#��������� '��� ������ �� ���� � � ���� '��� �� �,��� ����������� �� �� �� ∼ 250 ◦C�(��"��� �� � �� )**+. /������ �� � �� )**+ �
0
Tp 3.0Ga
1.2.3 The Precambrian rock record
������� � ���� ����
��������� �� � ��� ��� �� �������� �� ��� ������ ���� ���� � ���� ����� �����
� ���� ����� ���� ��� � ���� !"��#� � ������� �� ��$� �������� �� ��� �� �����
���� ����� � ����� ����������� %�� ������ �� ������� ���&���& �&����� �'������
� ��� ����(#� ��� )���� ��* �!"���# �� ���� ��+#� � ������� ������ �� ���
��� %�� ������� ���� ��,��%� ���� %�� �� ��� �����& �� � -���
.������ ����� ��� � ���� !"��#� � ������ �� ��� ������ �� ��� ��������� �/���
����& ���� �������� �� ��� ����� � �� �� �� ��������& �� �� ���� ���� ��
� ��� ������ ������ ���������� ���(#�
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
������� � ���� ����
������ �� ����� � ���� � � �������� �������� ���� �� � � ������ ��� �� ����
� �� � ������ � � ������ ������ ������� �� �� ��� ���������� ��������� ��
����� �������� ����� �� ���� ���� � ! � ������� �������� "���� ��� ���� �� � �
#�������� ��� � ��� ��� ���� ����� ���� � "���������� � �� �����$� � � ���
�� %"���������� ���������� ��������� ������ � �� � � ���������� �� �����������
�������� ��� � ���� ���� �� ��������� �� ��� �� �"� � �" "���������� ��
#�������� ���������� �&���� ��'(� � )����� ��� *! � ����� � � � ��� �� � �
���+ ��� ��"��� � ������ �� � �� *)��"����� ��� ��������� � � � ��� �� � � ���+�
)� � � �����,�� � � � �� %"����� � �� �� ��� ������ ������� �� �' � � �������
���� ��� ���� ��� �"� � ����������� �� "��"������ �� � � ���������� ��������
���� �� � � ���� ��� ��� -�� ��� �. � � ������ ��� ��� ���� �� � � �������� ��
��������� � ����� �"�� !� ���� � �� �������� %"������ �"������ ����������
����� �"�� �� "�� �� �������� �� ������� ���"�� ���� ����� /��� �� ���� '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
������� � ���� ����
����� ������ ������� �� �������� ���� ��������� ���� ��� � ��� ���� ��
���� ��� �� ��� ���� � �� ������� �� �� ������ �� �� �� �� ���� � ���
���� ����� ����� ������ ������� � ��������� ��� ��� ������ ����� ��
���� ������������ �� �� ����� �� ��!�� "������ �� ��!����!� �� �������� ��
�� ������� �!��� �
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 ��"���� ������ ��� ��,+�� ����� ���� �� ����� ���� �� ���� �
� ������ ����� ������ � ��� �������� �� ������ "��� � ������ ����
���� ����� � ��� "� "��� � ;����� ��� � ��"���� �� ���� �
<
������� � ���� ����
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
������� � ���� ����
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����� =� �������� @� ��'���� �� ��-
��
������� � ���� ����
����� �� ���� �� �� �� ������ ������ �� �������� �� ����� �������� ��������
��� � �������� ������ ��������� �� ��� �� ��� ��� ���� �� ��� ���������
������� � ��� �� ��� ������� �� �� ���� � ���� ��� �� ��� �� ���� �����
�� � ������ �� ��� ������� �� ��� ������ ������� � ��� ������ �������
�� � ���!���� ��� ��� �
�� �� !�����"������ #��$� ������ �� �� %���� ����� �&��$� ����� �����" ��
��� �� �����# ������� � '�()*� ��)��
+� ,������ �� �� -��&�� !���& !��� ���$� �������� . ����"��������� /0 ��$������
$� ������ ��������� $���� �� ����#���� � �� ������
+� ,������ �� �� -��&�� +���$�� �� ��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)� ��������� ��)'�
)�
������� � ���� ����
�� �� ������ � �� �� ����� ��������� ������ ����������� ������� ������ �
����� ��� � ���� ���!��" ����#�������� � $���% ��������� ���������� �
����� ������ ������ ������������� &'()(* +,-.+/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�������� ,''-�
<� $� ��%��� 8� ����� �� �� 3� ?���� � �� 5� ��<������ 4��������� �
���"���� �� 5��%��� ����� ����� �" ���!�������� ������������� ������ �����������
-)(* &-./,� ,'(&�
<� �� ����� 1��#������ � �!���#��� �� �%� �������� ������#%���� �������
,-&)/0-(* /&&./&=� (A-=�
<� �� ����� ;�������� � :������� �� �%� 1������� <�����#%���� ������ ��
���������� ;#����� ������)(* ((.+-� (A==�
3� ?����"� ?� 5� ?��#���� � :� �� ���� ������ ���������� ��% C���" � ;��� ,
������ ,''A�
(+
������� � ���� ����
�� �� �� ����� �� �� �� �������� ��������� ����� �� ������ ���
������� ����� �� ������ ����� �� �� ������ ������ ���� ����� ������
���������� �������� !"#$%&'#$#!� #((!�
)� ������� *��� ��������� +�� ������� �� �� ,������� �� ����-� ������ ����
����� %."/&'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
������� � ���� ����
�� ��� ����� �� � �� ��� �� �� �� ����� ��������� �� ��� �� �� �� ��� �����������
������ �� �� ����� �� �������� �� ������� ��������� �� ������� � !"�#$%�$�&#
$!'� $ (�
)� �� *�� + ������,� -.� ����� �� ����� ����������� � ���� ����� �� �����
��������� �� �� �� �� ��� ����� ��� �� �� ��� �� !� "� %���(&#�$ /� $ � �
)� �� *�� + ������,� 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�
�'
Chapter 2
Numerical techniques
2.1 I3ELVIS code
������ �� ���� ���� ���� � � � ����� �������� �� ����� ��� � � ��������� ��� � ������ ��� �������� �� � ��� �� � ����� � ���� ��� � ������ � � �������������� ��� �� ���� � ������ ���� � � ���� � ������ � �� � !��� � � "� # $%%�&�
�� ����� ��������� ����� ������� ��� ���� �������� ��� ��� � ������������
���� ���� ������ ��� �������� ��������� ��� ��� ������� ������������� ����
�� !"�# $%��� ��� &���� '((�� '(()* � �� ����� �� +��, ',- � � �� ����� ��
���� �� � ������� ��� $+��, ','* ��� � � � ������� ��� ��.������� �������
�� ������� �������� � ��� ��� ��� � �������� ���� $%��� ��� &���� '(()*, /��
��. ���� ���� ���������� �� ��� ������� ��� ���� 0��������������� �� ��
��� ��� ������� ��� ������������� ��� �1 ���� 0����� ������� �0 �� ��� ��� ������
��. ��� �������� ��� �������� �������� �0 �������� �� � 0�� ������� ����� ���������
��� � ������ � ���� � �������� ��� ���������� $2�� �� ��,� '(-�3 %��� �� ��,�
'(-4*,
-)
������� � ���� �� �� ������
������ ��� ��������� ����� ����� �� �� ��������� ���� ���� ��� �������������� �� ������������������� ��������� ��� ����������� ��������� �� ��� ���� �� �������������� ������ ��� ���� �������������� ��� ������� ���������� ���� !"#"�$
2.2 Governing conservation equations
��������� � �� ��� ��������� ������� ��� �� ������� ��� �� ���� �� ��
����� ������������
��� ��������� �� �������� � �� ����� �� ��� �� ��� � ������� ���� ��� �!"
������ #������ ����!������� ������ � ���� �� �� ����� �! ��� �� ���
����� � ��� � ���� ����� ���������� �� ������� ������ ��� � �������� ����
�� ������ ��������� ���� �� ��� ��� ���� �� ����������� ������� ���������
�� ���� �� ����$∂σ′
ij
∂xj=
∂P
∂xi− giρ(T, P, c,M) %&�'(
)��������� �� � � ����!����� �� ��� �� ��������� ��������� �������$
∇ · �v = 0. %&�&(
'*
������� � ���� �� �� ������
��� ���������� ����� �������� ��� �� �������� �� � �����
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
������� � ���� �� �� ������
���� � ��� ������� �� �� 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 ������� �� ��������� ��������� �� ������� �� ��� ��������������
��������� �� ��� ��� �� ��� ��� ����� �� ���������� �$ ������ � .����
���������� ����� ���� ��� ����� ����� .���� ����������� �� ����� �� ���
��� �� ����� ������, ��������� ��������� ��� �� � ������� �� �����' ��� �� �� ��
����� �� ����� �� � ����� �������� ����� ������ .���� ������ ��� ���� �� ���
!
������� � ���� �� �� ������
����� ��� � ������� � ��������
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�� ",-,/ ���� � ��� �!!�� �� ������ �� � ���� ����
�"
������� � ���� �� �� ������
�� ���� ����� �� ������� � ����
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� �� ������ ��� �� ������ ����
��
������� � ���� �� �� ������
���� 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������%
��
������� � ���� �� �� ������
������
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������� ���%� '��
�
������� � ���� �� �� ������
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 ��� �$������ ����������� �� (������ ��$���� �� ���������
)
������� � ���� �� �� ������
���������� ���� ����������� ���������� ��
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
������� � ���� �� �� ������
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} . ����,�
�-
������� � ���� �� �� ������
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]
��
������� � ���� �� �� ������
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��� �����>
#*
������� � ���� �� �� ������
������ ������������� ����� ��� ������� ���������� ��� ���� ������� ��������
���� ���� ��������� � ������� �� � �� � ��� ����� � �� �� �� ������ !"#$#�%�
!��#�
&� '� (���� �� )� *� +,��� -��, � ���������� ��� ����� ��� �������� �,������ �
�� ������ ������ ��� ����������������� ������� � ������� �� � �� � ��� ����� �
�� �� �� �.#����� %#$��/� !��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"� �""%�
#�
������� � ���� �� �� ������
�� �� ������ � �� � ������� ����� �� ���� �������� � ��� ������ � �������
�������� �� ���� � ����� ����������� ������� �� ��� ����� ������� ����� ������
����� !"�# $#�� %##&�
� ������ '� (���� )� ���*� � �� �� +�����,� ��-������ ������ � ��� +����.
-��" /����� ���� ������� �0��������� ������� ��&�12$!"%#32%%3� %#�#�
� ������ '� (���� 4� ��5*�� � )� ���*� (������ �� ������ ����� � ��� 6����"
6 �������� ������� ������������ ���������� ������� %7�"�382%%$� %#� �
(� 9��� '� :� (���� +� ;� '�,���� � � 4������� <���.�������� �������
������� �� ������ ���*�� � ����� ������� ������ ������� �� ��� �����
������� ����� ������ ��8�3!"$&8%2$&38� %#�1�
1�
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
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
��������� ����� ������� �� �������� ����� ���� �� ������������ �� ������
����� ����� �������� ������� �������� ���������� ���� ������� ���� ��� �����
������ ���� ���� �� ������ ���� �� ���� ������ �� ���������� ��������� ���
���� ������ ���� ���� ������������� � ��������� ������� �������� ������ ��
� ������������ ��������� ������ ��� ���� ������� ������� ��������� ��� � ���
�������� ����������� ������� � �� ����� ������� ��� ������� �� ��������
�������� �� ������� � ����� ��������� ������ ������� ��� ��� �� ��������
�� �� ���� � ����� ��� �� �� ����� ��������� ������ ��������� ������ ���
��� ��� ��������� ������ �� ���������� ���� �������
3.1 Introduction
��� ������� � ���� ��� ���� ��������� ��������� �� �� ���� ������ ��� ������
���� ����� ������ ���� ��� �� ��������� ���� !���� "����� #$$%&� ����� �
�������� ���� � ������ �� ����� ���� !'����� � ���� #$$(&� )��� �����
�� ��� ������ ���� �� ��������� ��*�������� ��� � ���� ���� � ���������
������� ���� �� +� �� ��� , !���������� � ���� -./%&� "����������� ����� ���
�������� � �� ��� ���� ������ 50 − 300K ������ ��� ���������� �������
! �� � ���� -..%� ��� ���������� ������&�
���� ��� � ����� � � ����� ���� ������ �� ����� ����� ����� �����
���������� ����� �� ���� ��� ������ 0����� ��� ������� ������ � ������ ��
���� ��� ����� ��� �� ����� �������� ��� ����� ����� �� ���� ��� ������
��� ��� ������ ������ ������ �������� �������� ��� ����� ���� ������
��� ���� �������� 1������ ��� ����� �������� ������� ���� ���� ��*����
��� �� ������ �������� ���� ������ ��� �� ���� ����� ��������� !���� ���
1���� ��� ��� ��� 2���� #$$34 5�6�� � ���� #$-$� ��� ���������� ������&� ��� ��
������� ����� � �� ���� � ������ ��� �������� �� �� ��� � ���� �������
�� ���� � �������� ������� ������ �� 7���������� ��� ���� �� ������
��� �� ����� ���� � �������� ����� �� �� �� ��������� ��� ������
�������� �� ���������
7��������� ���� ����� �� � ��� ���� ������� ���������� ��� � �� �������
�� ������ ����� �� ��� ������ ���������� ��� �� �� ������� ���� ����� �� �
�� ������������ � �� ��������� ��������� ��������� 1������ �� �� ���� �
8%
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
���������� ��� ������ ������ ���� ��� ���� ���� ���������� ���� � ���� �����
��������� ��� ��� ���� ������� ������� �� ���� ���� �� ��������� ���� �� ����� !��
�� ���������� ���� �� ��� ��������� ����������� ����������� �� �������������
���� �� ���������� ���"� ���� ��� ������� ������� #�� ��� ���������� ���" ������
�� ��������� ������ �� ������� ���� ���������� $��� ������� ���" �� �%� � ��
&�'�� �������� �� ���������� ���"� ��� ���� ���� � ������ �� ��������
������� �(������ �� )����� �������� ��� ��� *���� ������� � +���� �#���"��
�� �� � �,,,�� ��� ������� ����� � )�������� �+����� �� �� � �,,-. /��"��� ����.
0� 1�����" �� �� � ����� �� ��� 1������� ����� � *���� )�����
������2������� ������� ���!� ��� � ����� ���������� ������ � ������ ����2
����� ���� �������� ��$��"� �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
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
�� ���� ������ �� ��� ������� ����� �� ���� �������� ����� �� ��� �� ����
��� ��� �������� �� ���� �� ���������� ��� ��� �� ����� �� ���� �� ����������
���������� �� ����� �������� �� ����� ��� �� ������ �������� �������� �����
����� ����� ������ � ��� �� �������� �� �������� ������� ���� ���� !���� � ����
�""#$ %�� &��� ��� %�� �� '��� �(()$ *�+�%� � ���� �(�($ ,���� �(�#$ ,��� � ����
�(�-� ��� ������ �������
.�%���� ������ ������ �� �/ �������� ����� �� .��������� ����������� !��
&��� ��� %�� �� '�� ��(()� ����� �� ��������� ���� �� ������ �� 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;
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
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
+50KTime: 7.98 Myr
b
+0KTime: 9.48 Myr
a
20 25Myr 25Myr
273K
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
��������� �� ���� ��� �� ��� ���������� � � ��� ����� �� ��� ��� � ��� ��
��������� �� ��� ��� �� ����� �� ��� ����������� ������� �� ����� ������� ��� �
���� � ��� ������� ����������� ����� � �� 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����� � �
:���� "�������� ��� �������� (�
/&
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
�����
�������������������
��������������� ������������������������������� �� ������� ���������������������
����
����
��
���
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)
��
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
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�� ����� ��� �������� ������ �� ����
������ ������� �������� ��� ������� ,��� ������ �������� �� �������
%(
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
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�
&%
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
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� ����� ��� ������� � �� ���� ����� ���� ���� ���
))
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
� 6 − 8 km ���� ����� ��� ����� ���� ��� ���� �� ��� ��� ������� � ��
��������� ������� ����� � ������ ����� �� ���������� ����������� ����� ��� ����
�������� ����� ������ �� ���������� ����� � ������ �� ��� �������� ��� ���
� �������� ����� ��� �� ��������� � ������������ 3 − 4 km � �� ���� ��!" �� ��
���������� ���������# ���� ��� � ��!"� ��� ��!"� ��������� ��� �� ����� ����� ������
!������� � �� ��������� ����� ��� � � ������� ��� �� ��� � ��� �� �����������
����� ������� �� ��� ����� ����� ��$%��� &���� � ���� ������ ���� ������� ���
�� ��������� ������ ������� ��� � ��� ����� ��� �� ���������� ����� ���
�� � ���� ����� ������ ����� ����� �� ���� '�� �� ����� ����� ����� � ���
�� ������� ��� �# �� �� ����������� ��� � � �� ���������� ����� ������ ������
��� ���� �� � ���� �� �� �� �� # ��� ������� �������� � � ��������� ������
����� ��$%��� (���� �����# ��� � ������� ���� ��� ����� �� �� ������� ���� #
����� ������� � ������ ���������� �� ��� � �� ���� )� �� �� � 10Myr �� ���
������ �� � ����� ����� ����� ������ ���� 8Myr ������ # �� ������ ����������
���� �� �������� ���� ��� �� ��������� ����# ��������� ��� ��� � ����� ��*�����
������ � � ���� ����� *�� ������ �� ��������� ��� ��������� ��� ����� ��
���� 9Myr� +��� ∼ 17Myr �� ��� ������ ���� �� ������ �� � ���� ����� �
���� � 90◦� �� ���� ����� ����� � �� ��� � ������� � � ��������� �� �� �
������ ����������# ��� ������ �������� ������ �� ���� ����������� ��������� �
, ������ ���������� � �� ������ ��� ��� �������� �� �� ������� �� ������ ���
���� �� �� � ���� �� ����� �� ��������� ������ ��� ��������� �� ���� ���� ���
��� � � �� ���������� ��������� ���� ∼ 18Myr ����� ������� ����� �����������
��� � �� �������� � �� ��� � �� �������-����� �� *��� ���� � ���� ��� ��$%���
+� �� ��� ���� �� �������� ���������# ��� � ������� � �� ��������� �����#
������� ��� �� ���������� ����� ��� �� ������� ������� �� �� ������ ��� ��� &����
�� ���� ������� ���� �20 − 25Myr�# ������ ��� ������� ��������� ��� ��������
������������ �� �������� ��������� � �������� �� � ����� ���� � ���� 100 km ��-
��� �� ��� ����� �. ����� �� ���������-��������� ����� ��� /���# ������� � ������
�� �� ��������� ������ + !���������-���� ��� 0��� 1��������� �!�01� �2����
��� &�����# %33�� � ������� ��� ����� ���� ��� ����� �� ������� ������� ���-
�������� ��� ������� ������ � �� ��������� ����� ����� ������ !��������� �� ��
������� ������ �������� �� � ���������� ������ ���� �� ������ �������# ������
���� � �� ���-����# ��� �� ���������� ����� ���� �� ���������� ����� �� ������
�'����/ �� ���# %3$4��
4�
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
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
Time: 20.68 Myr
Time: 14.83 Myr
Time: 10.57 Myr
“Arc”
Planardripping
Cylindricaldripping Necking
Neckingc
b
a
ΔTp = 175K
Time: 6.47 Myr
Time: 3.94 Myr
Time: 3.10 MyrSlab drip
Accretionary prism
PlanardrippingCylindrical
dripping
c
b
a
ΔTp = 250K
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
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�
��� ���� �������� ������ ����� �� ��������� ����� ���� �� � ������� �� ��� ���������
���� �� ������ �� �� �� �#������� �� ��� ��������� ����� �$��� ��% �� &����' �� ���
��()*���
$����� ��% ����� ��� ���� ��������� ������������ ���+� ����� � ������� ���,��
-(
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
�� ������ ��� ������ �� ��������� ����� � ��� ����� �� ��� ���������� ����
�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 �� ��������� ������ ������ ������ �" ������� !�������
����!��"
�,
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
+ 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◦���� ���� ��� ����� �������� ������ ��� �� ��� ���� ����� ������� ������ ��� ������
��������� ������ ������ ���� ��� ��!"���
�#
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
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
��� ��� ������ ����� � �� �� �������� �� ��� ������� � ���� 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
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
+ 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� ����� ��� �� �� ����� ���� ��� ������ �� ������ ����� ���� ���� �����
�� �� �� ����� ����� �� �� � ������ �� �� ����������� ���� ����� ������
���� �� ����� ����� �������� ���� �� ������� ����� ���� ������� � �����
��������� �� �� �� ����� ����������� �� �� ��� ���� ���� ������ �������
�� ����!��� � ������� �������� � ����� �� �� �� ��� "��� � ��� �� �����
������� � ����� ������ �� ���� ����� ������ ���� �� ��������� �����
���� ����
##
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
�� ��� ��� ������ ����� ���� �� ������� �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 ��� ���� �� ������ � �� ����� �� ����� *��� � �� ���� ���� ��
�� ����� ���� ���� ������� ������ �� � ��� ��� ����� ���� ����� ����� ��� ��
� ��� !�+� �� !�+��� (�� �� ��� � � � � ����� � ��� �� )������ !�!�#�"�� �� ��� �
�� � ����� �� ��� ���� �� ������ � ������� �������� �� ����� �� ��������� ���
� ����� �������� � ������ ���� ������� � ����� ���� ����� ��� ����� ���� ��
������ � ��������� $��������% ���� ��� ����� �� ��� ���� � ��� !�), �� !�+��
,-
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
3.3.2.5 Variations in arc and backarc region
�� ��� ����� ��� ���� ����� �� ��� �� ����� ��� � �������� ��� ��������� ������
����� ���� �� ���� ��� ������ � ��� ��� ��������� ������ ���� ��� ������ �� ����
��� � �� ���� �� � �������� ������� �� � ���� ������ ���� �� ����� �������
��� �!�������� ������ ���� ���������� ��� �� �� ����� �� ������� �������� ���
"�� ��� #�� � $ ���$ %�� ������� �������� �&� ����� �� ��� '(�) ��� ���������
�������� ������ ������� ������� �� ��� ���������� ���� ��� ���� *������� ���������
������ ������ ���������� � �����!��� � ����� �������� �� ��� ��� ����� ������
��� ��� ������� �� ����� ��������� ��� � ������ ��� ��� ������ ����� ���(���
"�� � ������ �������� ���� �� ��������� ��� ����# � ��� ���������� �� ��� �!���
������ ������ �� ��� ���� ��� +�� ��� ������ �� �� !������� �� � ��������� ��� ��
����!�� ���!� ��� � ������ ��������� ������ ������ ������ ���� ��� �� �����������
� �� ������������� ��� !��������
�� ��� ,������-��� ����� �������� ���������� ��� ��������� !�� �� �� ���������
������ �������� ������ ��� ���� ��� ��� �� ���� 100 km ���� ��� ������ �� � ������
������� ����������� ��� �� � �� ��� ���� �� � ���� ����� .��� � ���� ��� ��
�� �� �� ������ �� � � ���� ��� ������� � ����� � � ��� ��+��� ������ ���
����� ��)���
/��� ��������� ΔTp ��� ��� �� �� ������� ���� ������ ���� �������� ������ �����
������ �������� &��� ��� �� �� ��� � ����� ��������� ������ ������ ������ ����
��� �-� ��� !�� �� ������� ��������� �� ������ �������� �� ��� ���� � ��� ��
��������� ������ �������� ������ ����� ���� ��� �� ����� ��� ��� ��� ���� ����
��� ������ ���� ������� ��� ������� ����'��� ���� �� � �� ������� ��+��� ��� ����
����� �!�� � ���� ������� "�� ���#��� ������ � �%������ ��� � ���#�������� ����
���� � +���� �� ����� ����!�� ���� ����������� ������� �� ����� ������������
�� ΔTp = 100K � 80 km ��� ������!��� ����� ��� �� � � ������ �� ��� ������
����� ���'���
��� ���� ΔTp � ����� ���� �� ��������� ������ ������ ���� ���� ��� ��� ������
����� ������ ���� ���� �� � ������������� ��# ��� ��� ��� ��� �!�������� �����
��� ��� ��� ��� ���� ��� ��� ��������� �� ����� ��� �� �� !������� ���#� /���
�!�� ��������� �������� �� ��� ��� ��� �� ����� �� ����� �� �ΔTp = 175K� ��
����������� �� ��� �� � �� ����� �������� ��� ��������� ������ ������ � ����!�� ���
)0
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
��� ����� � ���� ���� � ���� � �� ����� ��� ��� ������� �������� ���� ������
�� �� �� ��� �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 �� �� �� ������ ��� �� � �� ������ ����� ����� ��� �� ��� �� �������� �� ��� ����������� ��� ��� � ���� ��������� �� ���� ������������ ��� �����!�� ��� "� �� �� �� ����� �� ������ �� ��� ����� ��� �� ��� �� �������� ��#���#�$�� ��� ��� � ���� ��������� �� ���� �������� %�� ��� ��� ���� ����� ������ ��� � �� ���������� & �� ����� ������ �� ������ ������ �� ������ ��� ��� ��� #��� � ����� �� ���� �����
����� ��� ��� (����� ������ ��������� ���� ��� �# ��� �� ���� ��� )*�$�
������ ��� ���# ����� � �# ���� ������� �� ������ ������ �� "�� �������# ������
�� ��" � ��� ������� ���� ���� ���� �� � ��������� ������ � ������ +� ���� �
,
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
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� �� �� �� �� ������������� ������� �� �� � ���� ����� ��
+,
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
�������� ��� ��� ��� ��� 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
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
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� %��� ���������� ����� ���� �� � ���� � �� ���� �������� ���� �� ��� ������
�� ������������� ������ �� �������� �� ��� ������������ �������� ������ ��������� ��
���������� ���� ������ �&�� �&� �� �'�#�
(!
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
������� �������� �� ��� ����������� ������� ���������� ����� � ��� ������ �� �����
�� ��� ������� ������� ��� �������� ������� ����� �� ���������� ����� �� ���
�������� ����� ����� ������ �� �������� � ��� ������ ������ �� ��� ����������
���� ����� ������� ��� ��������� 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.
+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
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
��� 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
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
����� �������� ��� � ��� �������� �������� ���� � ������ � �� �� �����������
��� ���� ������ ���� ��� ��� ��� ������ ������ ����� �������� � ������� ����� ������
��� �� ��� ����� ��� �� ���� � ��� ���� ��� �� �� �����!� ������ ���� ��� ���
���� ��� � �����"�� � ��� � � �� � ��� #� �# ������ ���# ��� ����� ���� �
���� ��$��� %�#�!�� #�� � � � �� ��� ��� �� ������ ������������ ���� ���� ��������
���� ��� ���� ��� ��� ����� ��� � � ��� ��� �� ����� &��� ��� ����� ���
�����!� �� !� %� � � !� � '��� �())�� � *��� � !� %� � �()�(��
�� �� ���� ������ +����� � �������� , �� �� �� ������������ �� � ����� ��������
-� � #���� �� ��� !��� ������ �� ����� ���� �������� ��� #��� ������ ���� ����
��� ��� ��� � ������� ��� ���� ���� .� %� � � !� � '��� �())�� �
*��� � !� %� � �()�(� ��� #��� �� �� ��� +������� �������� , #��
���� �����!� ������ ��� ���� ��� � �� ������ �� ���� �� �� ��������� �������
���� ��� �����!� ����� � �������� ������ ��� �������� �� ������� ��������
�� ��� ���� ������
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$
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
����������� ������� �� ��� ��� �� ��� ���������� ����� �� ��� ��� ���� �
������������� ������ ����� ���� ������� ��� �� ���� ��������� �� ���
���� ������ �� ��� ���� ���� � � ������
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��!�� �����
>>
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
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
��� ���� ������ ����� � ������� ������ �� ����� ����� ��� � �� �����
������� �������� ����� ��� �� ����� ������� �� ������� �� �����
������� ��� ���� ����� ������ ��� �� ������ ������ �������� �� ��
�� �� ��� ���� ����� ������ � ��� ���� ����� ��� ������ � ���� ��
������ �� ���� ����� �� �� �� ������ � ���� �� ���� ��� �! ����� ������� ��
�� �� �� �� ��� �� ����� ��� � �� ��� �� �������� ����� �� ��� ��
"
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
�� ��� ����� ���� �� ���� � ���� ����� ������� ����� ���� ������� ��� �� ���
����� ������� �������� �� ������� ����� ������������ ��� ���� �� ��� ����������
������ �� ���� ���� �� ����� ���� ������ �������� ��� ������� ������� �
������� �� ��� ������ ������ ����� �� ���������� �����!���������� �� ����
�� ������ ����� �� ����� ����� � ���"���� �� ������ ��� ����� �������� ��
������� ����� �� ������� �����!����� ������������ �� �#��� �� ���� ��
�������� �� ��� �������� ����� ����� �� ����� ������������� ����� �������
����� � ���� ������ ��� ������� �������� ������� ���� ���� ��� ���$���
3.4.3 Consequences of wide-spread mantle-derived magmatism
%�� ������� ����� ������ � ��� �� ����� ����� ���� �� ��������� ��� ������� ��
������ �� ������� �� &����� ��� �� ��� ���� ���� ��� ����� ����� �#�������
������� ���"�� �� ���� ���� �������� ������� �� ���"�� ����� ����� &�����
������ ��� ����� �� ����� ���"��� ������ ��� � ������ ���������� ����� ��
�� ���� ���� ����� �������� �� ���"�� ��� �������� '��� �� �������
������ �������� � �������� ������� ���� ���� ��� ���$�� ���� �� �� ����
����� �����!����� ������ �� ���� ��� ������� '����
(����� ����� �� ������� �������� ������� � ����� ��� ����� ������� �����
�� ���� ���� ������ ����� ������ � ��� �� ������� ����� � ������������ �!
������� )���� ������ �� ������ ���"� ������ � &��� ������ ����� � ��� ��
� ���"��� ������� ����� ���� �� � ������� ��� ����� �*���� �� ���� $+�,-
���.�� �� ���� $+�,�� ����� ��/� ����� ������ �� �" ��� �� ��� ������ ���!
�� ����� ���� ��� ������ �� ���� �� ����� ���� ��0� �� ���$��� �� ������
����� ����� �� ��� ���� �� ��� ���������� �� � ������ ����!��!"��� ���������
�(� 1�����"� $+���� �������� �����!���� �� ������ ��� ��� ����� ������!
����� ��� �� ����� ��� �������� �������� ������� ���� ��������� �������� ��
�����!������ ���������
�� ����� ������� �� ����� ������ �� ����� ������� ����� ���� � �����
����� �� �������� ������������ ����� �#������� ����� � ��� �� ���� � ��
� �������� ����������� 2������� ��� ��������� ���������� � �� ������ ���� ���
Tp ������ �� ���3����� ���� �# �� ��� ������ �� �������� � ����� &��
�� ���� ����������� ����� ���� ��� �������� ���� �� ����� �� ��������
40
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
������ ����� �� ��� ������
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
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
ΔTp � 200K
3.4.7 The onset of subduction
Eclogitedrip
Small-scaleconvectionarea
Crustalconvection
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
����� ����� �� �� ������� ����� ��� �������� ���������� ��� �������� �� � ������
��������� ���������������� ��� �������� ������� ����� ��� ����� ���������� ���
� ������ ������ �� �������� ������ ������ �� ���� ����� ����� �� ���� !""#�
��� $��������%� !"��� &���'��� �� ���� !"��(�
)�� ���������� 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��������� ������ %����
�������� ���������� ����� ������� ���������� ��� ����������� �� ���� ����� ���
��������� ��� ��� ��/����� ������� ������������� ����� �� ��������������� ����� ���
;!
������� � ���� �� ��������� ��� ����� ������ ������� �� ��� �����������
����������� ��� �� ����� ����� � ���� �� ��� ������
�� �������� 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$
����������� �����
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!�� ��
�������
�������
������
� ����
������ �
��
����������������������������������
�����������
���������� �!��"#
��
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
Time: 8.00 Myr
Time: 11.82 Myr
Time: 17.02 Myr
Partially moltenhydrated mantle
Drydecompressionmelting
c
b
a
ΔTp = 100K
Time: 10.57 Myr
Time: 14.83 Myr
Time: 20.68 Myr
Partially moltenhydrated mantle
Partiallymolten crust
Dry decompressionmelting
c
b
a
ΔTp = 175K
Time: 3.10 Myr
Time: 3.94 Myr
Time: 6.47 Myr
Dry decompressionmelting
Partially moltencrust
c
b
a
ΔTp = 250K
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
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
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
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
����������� �����
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�
��
����������� �����
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�
��
����������� �����
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�
()
����������� �����
�� �� �� ���� �� ��� �������� ���������� ����� �� �� ��� �� ���� ���
����� � ����� � ����� �� ���������� �������� �������������� �����
� !"���#� � $� %��&�� �� �� '(�)��� '*�+ ���� ���� � *�����**& ���&��
�"+�" ��� #���� ,-! "���� �* ����*��� �� ������� ������� ������� .�����
��/����/�� �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 (*���
��
����������� �����
���������� ���������� ������� ��� ������� ���
�� ��������� ����� ������ �������� ��!�� ����� ��������� ��� ���� "#���
�� �������� $� %� ���&�' (� ��� � )� (�* �� +� ,����� -� .� /����� +� -� ����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�>� ����
��
����������� �����
����� ���� � �� � ��� ���������� ����������� �� ����� ���� ���������
�������� ���� !��"#���� $�"$�
%� %� &�����' � (� )� *���� ������� � �������� �� &����+�� ,������ ����
���! ,�������� ��������+���� ������ ��������� ������ �� ����� ��������
$�-!$./#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"��"� !"".-#"$�/� $�"��
..
����������� �����
�� �� ��� ��������� ��� ������� ���� �� �� ��� �� ������� �������� ����
���� �� �������� ������� ��� ��������� ������� �� ����� ��� � �������� ��
� !"#$�%# &� &�''�
�� �� ��� ��������� (� ������� )� *���+��� �� �� �� ,�-�.� ������� ���� �� ���
����� ��� ����/����� ������� +��� ��� �� )������ 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
Chapter 4
Early Earth plume-lid tectonics:
A high-resolution 3D numerical modelling
approach1
Crustalconvection
Small-scaleconvectionarea
Eclogitedrips
> 3.2Ga
������� � ��� ���� �� ���� ���������
�� ��� ������ ��������� ���� ��� ������ ������ � ���� �� ��������� � ��� ��
���� ��� � ���� �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�
��� �������� ������"
<�� ��� ��������� �� ������ ��������� ���� �� ���������� ����������
* � ��� �������� * � ��������� � ���� �� ��������" #������� � � ������
,!
������� � ��� ���� �� ���� ���������
�� ��������� ��� ����� � ����� ���� �������� �� ������ �� ���� �����
�������� �� ������� ���� �� ������� �� ������� �������������� ������ ���
��������� ������ ����� �� �������� ����� ���������� � ��� ����� ������
�������� ��� ������� ����� ����������� ����� �� ������ ���� �� ���� �������
�� ������������ ������ �� ��������� ���������� ������ �� ��� ����������
� ����� �� ���� !""#$ %���� �� ���� !"&#� �� ��������� �����'� (����� ���������
������ � ������� �������������� ����� �� ��)��� ���� ����������� ��������
�������������� ������ �*+��� �� ���� !"&#'�
*������ �,���� ������ ���� ������� ��� �������� �� ������� (����� ��������
-�� �.������ � ��� ��� ��������� ���� ��� (����� ����� �� �� ������ ����� ���
����� �� ���������� /��� ����� /� 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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
������ ������ ��� � ������ ��� ����� �� ��� ������� ������ �� �����
�� ��� ����� ������ ���� ������� �������� �������� ���� ��� ������� ������
����� ������ ������������ �� ����� �����!��� "����� #� ���!���!� ����#����
�� ���������� �!�����
$������ �� ������ "�������� �������� ��� "����%�����"���� ���������� ��� ����%
������ �����%�������� �� ������ &� �������� ������� �""������� �'���! ��
������ ��()�� ��������� � ��������� &� ���%��������� �������%���������������
�������� ������� � ��� � ������ �� �������� ��� "����%� �������� �"�����
� ��� ����� *����� +� ��� "������ $��"��� & �� �!������� � ������ ������ #�%
����� ��� ��� ���#�� ������� ����� ��%���#���� "������%�� "���� �������� ��
������� "����%� �������� ��� �������� ������ "������� ���"������� ���� ,��%
�������� �!�� &� ����� ��� ��"��� "������%�� ������%���������� "���� #���%
��� �������� +� ��������� ��� ��� ���� ��� ����� �� ��� "����%� �������� �����
������ #��� �� ���� �""��"���� &� �������%��������������� ����� ��� �����%
���� ����������� ��������� �����"���� �-������ �� ���� ��(). /0�!� �� ���� ��(���
4.2 Methods
4.2.1 Model design
+� ���� �� �!������� �������%������� "�������� �������� ��� "����%� ��������
�� ������� ������ ���� ��� ������� ������ ���"������� �������� �� �1����
� ����� �� &� ���%��������� �������%��������������� ������ +� �������� ��
$��"��� &� �� �1������ "���� ������� ������ ���� �""�� � ����� ����� � ���� ��
������ &� � ���� �� "����%�����"���� �� �����%������ ���������� �-������ �� ����
��(). /0�!� �� ���� ��(�. 2����� �� ������ ��#���� ��� "�#��������
� ���� ������� �""�� ������ �� ������� "��������� � ���� ����" �� 520 km �
������� ��� �� �"�� ��� #��� ������� �� ���� ��������� ����������� "���� ����"
�2�� )�(�� � ��"�3� �� "��!��� ����"��� �� ��� "���3�� ���������� �� �������
�� � 35 km ���, ����� �� !����� ���"����� � �#�� )��� �� ��" �� ��� ��������"����
�������
4� ��� ��� &� �������� �������%��������������� +&*5�+/ ��� ������ �� 6����
7)
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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
��� ����� ���� �� �� � ���� �� � ����������� ���� � �� ������ �� ���
������� �� � !���� �" ��#��$ � $�������%� & ��� ���������� ����� ��� ������ ���
� ���� ���� � �� 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;
������� � ��� ���� �� ���� ���������
�������� ����� � �������� ������� �� �������� ������� ��� � ��� �����
��� �� ������� 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��� � �����#���� !�-���# ��� �����# ��� ���� �� ������� "�� �����
�;
������� � ��� ���� �� ���� ��������������
����������
���������
������
��������
� �������������
��������
����������
�� ����
��� ����
������
�����������
�������
�� ����
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��!
������#$$*&
��
������� � ��� ���� �� ���� ���������
������ �� ���� �� ���� �� �� �� ��������� �� ��� ��� ��� �� �� �������� ��� �����
��� � ���� �� �������� �� 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$ ����#� ��� ��� ��� � �� �� ���� ���� �� �������� ��� ��� ���� �� ����� �����
��"� �� � �� ��� �� �� � ���� ��#�!����� � ����#� �� ���� �%�#� ���� ��� ��"�"���
�� ��� �� �� ���� ���� �� �� ����� �� � �� ��� �� � ��� �� ��"��� �� ��� �� ��
�����$ ��-�� ��# � �� "���� ��� ��������# ��" ��������� ������ ��� ��� �"�� ����
�� ��� �� �� �� ������ ��� ����#� ���� �������� ��.����� ����� ���� � �� ���� ��
//
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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
����� ∼ 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 �� �� �� ��������� ��������
("(
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
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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
���� ����� �� � �� ����� ����� ����� ���� ������� ������ 35 �� 60Myr �
���� ������ ���� �� �� ������� ���� ��� ��� � ����� �� ��� ��������� ��
����������� ����� ������ �� � ���� � ���������� ������� ���� �������� �� ����
���� ��� ����� ��� ���� ����� ����������� ��� ����� ���� �� �������� ���
���������� � ��� ���� ����� �� ����� �������� ���� ����� � � ��� ��������
� 40 km � ����� �� 20 km � ����� ����� ���� !��� "�#�$�
�� 60Myr � ����� ���� � �������� ������� % ��� ����� ���� ��� �� ����
����� ����� ��� ������� ������ ���� �� �� ����� �� ��� ���� � ��� ����� ����
����� ��� � ��������� ������� �� ��� ���� � ������ ��� ����� ��������
������� �� ��� &�� �� �������� !���� "�#� �� "�#�$� % ��� ����� ���� ����
�� ���� ����� ����� ��� �������� �������� ���� ������� ���� �� ������ ��
������� ������� ��� ����� !���� "�#� �� "�#�$� ����� ������� ���� � �������������
� ��� ���� ����� ����� �� ������������������ ��� �� !���� "�#� �� "�#�$�
% ��� ���� ����� ����� ������� �� ��� &�� �� ��� ��������� ��� ���� �����
�������� ��� �� ��������� � ����������� �������� %� ���� ��� ��� ' �� ���
����� �� ����� ��� � ��� ����� ���� �� ����� ���� ����� ����� ������ ����
� ����� �� ��� ������� ����� ���� �� ��� ��� ���� ������� ��� ����� ���� ��
����� �� ��� ����� !���� "�#� �� "�#�$� (�� ��� ��� ��� ���� � ����� ������ ���
������� ����� ����� ������� �������� � ��� ����� ����� � ����������� �� ��� �
�� � ��� ����������� ������ ��� ��� �� �������� ���������� ��������� � ���
����� ���� ����� �� �� � � ������ ��� ���� ��� ��� �� ������ ������� ����
��� ����� ����� ��� ���������� ���� � ��� ����� �� ��� ���������� !��� "�#�$�
)��� ��� ��� � χvolc = 20% �� ��� ����� �� ������ ��������� �� ���������
����� "�* �� !��� "�"$� ������� ���� �� ���� ���� � ��� ������� ���� 20%
�+����� �� ����������� �� ��� )� ���� 80% �+������ �� � ��� ������ ����
��� !��� "�#$ ����� ������� ��� ��� ����� � ��� ������� ���� ������� ���
��� �� �+����� �� �� 20% �� ����� ���� �� ������ ����� � ��� ����� ����
� ��� ��� �� ���� ������ ������� �� �������� ��������� �� ��� �������� ����
����� ��� !���� "�* �� "�"$� ��� ���� 0.5Myr ��� �������� ������������� �� ���
����� ����� � ��� ��� � ��� ����� !��� "�"�$�
,�� � ��� ��������� ����������� ��������� ������� � ��� ������ ��� ��� ����
������ � ��� ����� � ���� ��� ����� ������ ��� � ��� �� ��������� �����
� ������ ��� ����� � ��� ������ ��������� ��� !���� "�* � "�"$� % �������
-."
������� � ��� ���� �� ���� ���������
��� ���� �� ��� ����� ������ �� ����� �� ��� ������ ��� ������� �� ���� ������
�� ��� �� �� ���� ��� ��� ��������� ������ ������� �� ��� ����� ����� �� ��
�� ������� �� ��� ���� ������ �� ��� �� �� ���� ��� ���� �������� ����� �� �����
���� ���� ������� �� ����� �� ���������� ���� ��� ����� ������ �� ��� ������
��� ������ ����� ��� �� ������� ���� ���� ����� ������ � �������� ���� ��� �
���� ���� ��� ������ ����� ���� ����� ��� �� ������ ����� ���� ��� � �������
����� � ����� ���� ����� ����� 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'
������� � ��� ���� �� ���� ���������
������� ������� ����� ��� ������� �������� �������� � ��� ��� ������
�� ������� �������� � ��� � �� ������� ����� ����� � ����� �� �������� ������
�� ��������� � ������ ������� ���������
���� ����� ����� �� ! ����� ��� � � �� ��� ������ ������� ������� ��� � ����
����� �� ���� ����� � ���� ������� �� ����� ����� � ������ ��������
���� ��"�!� ������ �� �� � � ������ ������ #�� � �� ���������� ��� � � ���� ��
�� ���� ����� �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� #�
� �� ������ � � � �� ����� ��� �� ��� �� ������ �� � � ���� ����� �� ���������
�������� �� � � ���� ����� �� ���� ���� ������ ���� ������ �� �� ��$�� ��$
�� ��$�!�
-.
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
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
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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
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&� ��� ���� ���� � �+����� ������ !��� � ��� � � ��
��� � ��� ���� � �� ����� ���� ������ �� ��������� ������ ����� �������� ���
���� � ! �� "�, � �� ����� ���� ������ �� �� ����� � ! �� "�� � �����&� -���
������ %��� ���� ���� �� ������ � ������ �� ��� ���� ������ �� ������ ���� ��
���� ����� �� �� ��� � � �� �������� �%�� �� � � ������� ��� ���� � � �� � �
��� ��� �� ������������ ���� �! �� "�#%&� .��� ���� �! �� "�,&� �� �� �� ��� ���
���
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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
������� ���� ������ � ���� � � ���� � � ���� ����� �� ����� � ����� ��
���� �� ������ ��� ���� ���� � � ����� ��������� ����� ������ ������ � ���
�������� � � ������� ����� ����� � ���� �������� �3Myr� ��� ���� �����
������� �� ���� ������ ����� � ���� ����� ���� ��� � ����� ����� � � ��
���� ���� 60Myr ����� ��!���
4.3.5 Influence of layered crust
� �� ����� �� ���� ����� ��� � ���� ����� ���� ��� � ������� ��� � �����
���� � �� "���#�� � � � ���� ���� � ���������� $ 75 ������� $�� ���� �����
���� � ����� �%��� �� � χvolc = 20% � � ��� � ����� ����� � � �λmelt = 0.01�
ε̇healing = 10−14s−1��
&��� ��� ����� ��'(� � �� � � ������� ���� � ����� ������� ��)� ���� � � ����
��� ��)� ����� � ��� ��� � ���� � � �������� ����� � �������� ��� �����
���� �� ���� �� � ���� ����� � �������� ��� ���� ���� �� ������ $���������
������ ��� �� ������ ���� ��� �� &� ����� �� ��� ����� �� ���� ���� � �
����� �� ��������� ������ ��� ������ *�� ��������� ����� ����������� �� ���� � �
�� ������ �� ����� �� ������� ������ ��'(� � � ��'(��� *�� � ���� ����� ������
� � �� �� �� ������ ����� ������ ��� ������� � � � �� ����� *��
������� � �� ������ �� �����)�� ����� �� ����� ��� �������� � �� ����� ����� � �
�� ����� ����� ��'(��� *�� ����� � � �� ��� ����� �� ���� ����� ���� �� �����
*�� ����� �� ���� �� � �� ����� � �� ������ ���� ������ � � ����� + �
�� �� �� � � �� ��� ����� ����� ��'(��� *���� ����� � ���� ������ ������
����� ���� � � � �� ��� ���� ��� � �� � ���� �� ��� ������ ���� � � �� � �
���� � ������� � �� ����� ,� �������� ���� � ����� �������� � ���� � � ����� �
���� � ����� ���� � �� �� �������� � ���� �� � ������� � � ������ �����
����� ��'(��� -�� �� � � ��� �� � ������� ������� �� ������ ��� ����� ��
�� ��� ������� �� ���� ��������� �� ������ .�� ������ ����� ���� ����#
� � � �� ������� � �� �� � � �� ����� � � ���� �������� � ����������
�� �� ������� ��� � �� �� �� � ����� ������ ��'(� ��'(��� ������ ���� ��
������ ����� � ������ ��/� � � �� ����� ������ � � � �� ����� ������ ���
�∼ 10 km� ���� �� ���� �������� ��� ����� �∼ 30 km� ����� �� �������� �
���� � ������ ��'(� � � ��'(��� ,� ������ ��� �� ��� � ���� ��� ��� ��������
����� � ������� � ���� ����� � � ���� �� �������
''!
������� � ��� ���� �� ���� ���������
����� ��� ��� � ���� ����� ����� �� �� ����������� ���� �� �� ���� ���� ���
�������� �������� ��� � ����� ���� ���� ���������� ��75 ��� ���� �� �� � ��� ������
������ ��� �� ��� ������ � ��� ����� ����� ������ ���� �� ��������� �� �� ����
�� ���� ������ ��� ������ ���� � ��� !�""�#� $�� �������� ���� �� ����� �� �� �
���� ������ ����� ��� ������ �� ���% ����� ��� ������ &��� �������� ������ �������� ��
���� ������ ����� ���� ��� ��� ����� ������ ��� ���� �� � ������ ���� � ������
� ���� !�""� ��� !�""�#� �� �� ��� ����� ��� ��������� ���'�� ���� ������ ������ ���
�������� ������ �� ��� ������� ��'��� ������� ��� ��� ������� ����������� ������
����� �� ���� ��� ��� �� ��� ����� ����� � ������ ���� ������������� ������� ��
� ������� �'����� � �� ��� ����� ���� � ���� !�""� ��� !�""�#� (���'��� � ���
∼ 1Myr ��� ��� ��������� ���'������ ������ ����� �� ��) � ��� !�""�#� ���� �∼ 3Myr#
������ �� �� ����� ����� ��� � ����� �������� ������ ����� � ���� !�""� ��� !�""�#�
(���'��� ��� ���� �� ����� �������� ���'������ ���� ������� ������ ���� ��� ���%���
����� �� ����� ���'� ������� � ��� ������ �������� ������������ �� ��� ��������
��� ��������� ����� ��� ������� �� ������ ����� �� ��������� �� ������ ������ ���
��� �������� ���� �� ����� � ���� !�""� ��� !�"" #� &��� ����� ����� ���� ���%�
������ ��� ����� ��� �������� ������ ����� ���� �� ��� ���� ��� ���'�� ���� ���� �����
� ��*� ������ �� ��� �� ��� � ��� !�""�# ��������� ���� ������ ����� � ��� !�+# ���
����� � ��� !�,#� �� ������� � ���� ������ ������������� ������� �������� ������
�� ������ ������*�� ��� ���� ��������� ������ ������ ���������� � ���� !�""
�� !�""�#�
����� ��� � ��� !�"-# ��� ��� ���� ��� �� ��� � ��� !�".# ��� ��� � ��� !�""# ��
���� � �������� ����� �� ���� ��� � ��*� ����� ����� &�� ������� ������ �����
����� �� �� � ��� ������ ��� �� ���� �� ���� ������ ���� ������ ������� $��
��*� ���� �� ����� ����� ��� ����� � ��� ����� ��� � ���� � ��������� ������ ��
��������� �� ��� ������ � ��� ����� ���� � ��� !�"-�#� &�� ������ ���� ������ � ��
��� ����� ���� ����� �� ���� ��������� ��� �� ��� ����� ���� ����� �� �'�����
����'������ � ���� !�"-� ��� !�"-�#� /����� ������ ���� ��� ���� �� ������ �����
����� ��� ���� ����� ������ �� �� � ��� ���� ��� ����� ��� �� ���� $�� ��*�
���� �� ������ �� ��� �� ��� � ��� !�"-�#� ����� ��� ������'� ������� �������
�� ��� ��������� ����� ���� ��� ������ �� ������ �� ���� �� ��� ����'��� ������
� ��� !�"-�#� &��� ����� ����� '������� ���� ��� ���� ���% ������ ��� �� �����
����� ��� ��������� �� ��������� ��'��� ���'��� ������ ���� ����� � ��*� ��������
�� ��� �� ��� � ��� !�+ #� � ��� 20Myr � ����� ��'������� ��� ����������� ������
������� ������� ������ ������� �� ��� ������� ��������� �� ���� �)�������0 20 km �
""1
������� � ��� ���� �� ���� ���������
������ ���� ��� �� 20 km �� ���� ���� ���� ���� �� �� ��������� ��� � �
�� ������� �� �������� ����� ��������� �� ������ �� ����� ������������ ���
26Myr �� ���� ��� ������ �� ������� ������� ��� �� ��������� ���� ���
��� ��� �� ������
���
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
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
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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
��� ���� ��� � ���� � ����� � ��� ���� ��� ��� ��� ����� ����� ��� ��������� ��
��� � �� �� ���� ��������� � ����� � �� �� ������ �� � �� ���� ����� �� ������
�������� ��� ������� ������� �� ����� �� ��� ����� � �� ������ ���������� �� ����
�� ���������� ��� �� ������ � ������ ��������� ��� ���� ������� � � � �� ���
������ ��� ��� ������� ���� � !�� ������� �� �� ��� "#$%�&�
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��������& ���� ������ ����� ��� ������ �� � ������ ��� ��� ���
$$<
������� � ��� ���� �� ���� ���������
������ �� ���� ���� ��� �� � �� � � ��� ��� � ���� ������ ���� ��� �� ����� �������
���� �� � �� ���� � ��� �� � � ���� �� � ��� �� �� !� "�� �� ��##��
����� � � � �� $��� %������ � � ��� ����� ������� �&�� � � ∼ 15Ma �� ����� �
�& ��� � ����� '�� �� � �
4.4.4 Mantle convection patterns and lithospheric growth
(� ���� � ��� ��� �� �� ���������& ��� ����� ) ���� ��� �� � ���*��& � � ����
��� ���� �� � ��� �� �� (� ��������& ���� ���� � �� ���� ��� � ���� ��
� ∼ 120 km� )� �� ����� � � ����� ��& � ���� � � � � � ����� ��+�� �� ��+���
����� �� ��� ���� � � ������& ������ � ������� �� �� ����� � � ��� �����*����
��� ���� � ���� ����� �� ������& �,� � � �& ����� ���� � ��� � ��� �� � �� ��
���� �� �� �������� � ������� ��� ���� ��� ���� ����� ��+���� (� ��� � ���� � ��
��� � ���� � � ��� ��� ���� ��& � ���� ��� ����� � ���� �*���� ��� ���� � ���
� ��� �� ��������& ���� ���� ��& �� -���� ������� �� �������� ��� ������ 1− 2
����� ��� ���� � ��� �� � ��� �� �� ��� � �� ���� � ���� ��� ����� ��& � �� ��*
� ���� ���� �� ���� � � ��� ��� � ����� �� ��� � ��� ��� � �� �� ���� � �����
��� ��. � � ������� �� �� ������ ������& �� �� �� ���� ������� �� �������� ���
��� ���� �� �� ��� ��� �� ���� �
+�#
Small-scale convection
0°C400°C800°C
1200°C1400°C
1600°C
Time: 20.41 Ma
Small-scale convection
0°C400°C800°C
1200°C1400°C
1600°C
Time: 2.70 Ma
b
a km 01002003004005200
100
200
300
400
520
km
0
100
200
300
400
520
km
������� � ��� ���� �� ���� ���������
4.4.5 PT-conditions for generation of TTG-crust
Time: 83.43 Myr
0.6%
69.7%29.7%
10 kbar
20 kbar
Time: 2.68 Myr
69.1%
12.3%18.6%
10 kbar
20 kbar
b
a km0
100200300400520 0
100
200
300
400
520
km
0
100
200
300
400
520
km
������ ��� �� ����������� ���� �� ��� ��� � ��� ����� ��� �� ���� ����� �� ��� ��� � ���������� ��� �� ���� ����� ������ �� � ���� �� ��� � ���� ����� ��� ����� � ���� � 0 10 ��20 kbar �� ��!� ����!���� � "�� �#��� � �������# ��� ��$� ����� %���� �� �� �� ��� ��&��!�� � �� �� ���� � � �!��� �� � �� � �� �� � ��� �� ��!� ��� �� ��� �
��� ������ �� �� ��� �������� ������� �� ��� ��������� �� ������ ����������� �� ��
��� �������� ���������� ������ ���� � ����� ����� ���� ������ �� �� ��� ���� �� ���
����� ����� �������������� ��� ��� ����� � �� ��� ������ �� � ������� ���������
�� �������� ���� ����� ������������ ��� ���� !!"#� ��� ��� �� ���� ���� ����
��� � ����� ��������� �� ������ ����� ���� �������� ������� ���� �� �� ����� ��������
$
������� � ��� ���� �� ���� ���������
�� �������� ��� ��� ����� � ��� ������� �� �� ��������� ����� ���� ������ �����
����� ���� ������ ��� �� ��� ������ ���� ����� � ��� ��� �������� �� ��� ������� �
�� ���� � !""# �����$������� 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
������� � ��� ���� �� ���� ���������
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&$
��/
����������� �����
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%.���������
�����"##"%!
�/%���
�������.����$''/%!
�'%+����$'/'%!
�$#%3��
������"##)%
���
����������� �����
References
�� ������ ��� � � ��� ���� ���������� ��� �������������� �������� ��� ��������
��������� �� ������� ������ ��� ������������ ��� ����������� ������� ������� ��
��� ����� ������� ������! ""#$%"&'�%"&(()! &("&�
*� ������ +�� ��� ,��� ��������� �� ��-������ ����������� ��������� �� ������
�� ��� �����-����. ���������� ������! /#$)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
����������� �����
�� ������� � �� ������� �� �� �� ��������� � ��� � ���������� �������� �� ���
�� � � ����� �� ��� � �� ���� � �� ��� ������� ����� �� � ������ !��� ���!� ��
�������� �!"��� ������ ������� �� ������� � ����� #$%&'�()$*+()#) (&&,�
-� �� !��� .� /��!���� 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
����������� �����
�� �� ����� � � ���� �� �� �� ������ �� �� ������� �� �� �� ������ ��� �� ��
����� � ����� ������ ��� ��������� ��� �����!����� " �����#������� � ��������� �����$
��%������ �� " � � � !� ���� �& ����� � " �� #����� ����� �% �� � ���� ��������
����� �� � ������� '()(*$+,-.+// 0110�
�� �� ����� �� 2� ����� �� 3��� �� �� � ! ��� ��� �� �� � ������ ����� ���� ����
� � � 4��� ��������� !� %����#������� ��!����� � �������� �� ������ 50-)-5--*$
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,
����������� �����
���� �����
� �� ����� ��� ������� ��� �� ���������� � ������� ��� ��� ���� ���� �� ���� ������
�� ����������� �� ���� � � ��� �!"�#� $������� %$� �&�#�
�� '� ������� (� )��*�� )� � +� , ��� �� � -� . ���������� /�� ��� ���� ��
���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����� �� � ���� ������� ����� �
� &
����������� �����
���������� � ������� �� ��������� � ��� ��������� � �� �� ������� ����������
�������� ��������������� �����
�� � �!���� � "� � � ���� # $ %& ���� � ' ��� $ �������� $�!��� (� )� *�
)� +� ,!������ ��� �� ������� � ������������� &��� ����� -���% �� ./' ��
�����
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��!�� ������ ��
����������� �������� ;;�<������=;;����;��� �;;��
*� ,!�� ��� � �� "��!����� ����������� $%����� B��4�����9 -����� �� ���� ��
���
����������� �����
�����
�� ���� � ��� � ��� �� �� �������� ���������� ���������� � ����������������
������� ��������� �������� ������� �� � �� � ��� ����� � �� �� � ! " �#$�
�%&�' � ���(�
)� ��� *���� ��� )�+,� -� ��� .������ ����������� ,��� �� ,������/ ������ ����
�� �� � ��� ����� � ������ #�" $� %0�� % �� ��
)� ��� *���� ��� .� 1� ��� ��� 2��3� 1���� ��������� �� ��� ���� 4����� 5����������
������� � �����3�� ��� ��� ��� �6 ��������� ������������ ����� �'" ��$�� !�
�'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������ ��� ��������
�������� ��������� ����� ������ ������ ����������� '(% �� #��
'
����������� �����
�� ��� ����� �� ��� � ���� �� ��� �� ����� �� ��� �� ��� ��� �� ������
� ������ �� �� �� �� ������ ��� ��������� �� ��������� �������� �������� � ��
!����"� ������ ��������� �� ����� #$$%��
�� ��� ����� �� �� ����� ��� �� �� ��� �� ���� �������� �� �� ������� �� �����
�� ��� �������� ��� &��� ��������� �� �� ��� ���� �� !���� '��� ��� �� ��
������ �� ��� ���� � �� ���� � ������� (%$)*+,#-./0(% #$$%��
�� !� 1��� ��� �� !� ��� 23�� '���� ������ �������� ��������� �� �� ����
������������ ������� #4)(#+,($-0/($-5 #$$(�
6� 1� �� �� 6��� �� �� ���3�� ��� !� 2�������� 7� �8���������� � ������
������� �� �� ���� ���9�� �� ����� ���������� �������� ���� � �� ���������
������� ����� ���� ((-)4+,*5-#/*54- #$(0�
(0#
Chapter 5
Evolution of TTG source regions in plume-lid
tectonics1
��������
�������������������� ��� ���� ������ ����� � ���� ������ ��������� �����������
�� � ������� ���� �� ���������� ����� �� ������� ���������� �� �� ����� �����
�� �� �� �� ����������� ��������������� ��������� ��������� ��� ������� ������
��� �� ������ ������� ����� ���������� �� ��� ��� � ������ �� �� ������������
���������������������� �� ���� �� ��������� � ��������� ��� ��� �������
����� �� ������ ����������� ���������! � ���� "���� ����� ���� ������� #� �
���� ����������� �������� ����� $������ �� �� ������ �� �� �������� ��������
��� ������� ��� ���� ������ ���� ����� �� �������� ������ %� �������� ������ �
��� ���� ��� ��� ��� �� ������ �� ∼ 100Myr�
5.1 Introduction
�� ������� �� ����� �� �� ���� ������� � #��� �� �����#����� �� #�� �������������
�� ������� ������ 41% �� �� ������� ���� �������� �� ����������� ����� ��� �� �
������� ��������� ������� �#��� ��� ����� �� �� ������� �������� �� 35−40 km &'����
�� ���� ()*�� �� ���������� ������+� ��� ���� ���� #�� ���������� �� ����������
��� ������ ��� �� ����������� ����� �� ��������� ���������� ��� � ������ �����
����� ����� �� �� ������ �� ��������� � �� �� ����� ���������� ������ �� �������� ��
����#����� �� ��������� ������ �� � ����� ����� �� ��������� ������ ��� #���� ���������
����� &'���� �� ���� ()*�� �� ���������� ������+� �� #��� ����������� �� �� �����
�� �� �������
, ������� #��� �� �����#����� �� ����� �� ����������� ��� ���� #� �#����� ��� ,�����
������ ,����� ����������������� �������� ��� ��� ������� ����� �� ������ -�� ����
��.� ������� ���� ���� �� ������� ��� ��� #���� �� ���������� �����������/ �� ����
����� ������ �� �� ������� �� �� ���
*��
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
���� ����� ��� �� �� �� �� �������� ����� �� ���� ��� ����� ��� �������� ��
�� �������� �� ����� � � �� ���� � ������ ������ ��� ����������� ���� ���������
�� ����� �� ������������ ��� ������� ��������� �� �������� �� ����� � �� �� �
��� ����� ������� �� ������ ����� ���� �� ������ ������ �� �� ������
�������� ����� ������� ����� � �� �������� �� � ���� ��� ��� ��� ������ 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
$25
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
������ �� ����������� ��� ��� ���� �� ����� �� �� ����� ���� � ��� ����������� ���������� ������ ��� ����� ��� � ���� �!
LP (P, T ) =
⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩
T ≥ 760.0 + 273.15− 60.0 ·(P − 1e9
1e9
)2
T ≤ 1000.0 + 273.15− 150.0 ·(P − 1.2e9
1.2e9
)2
P ≥ −5e8 · T − (870.0 + 273.15)
220.0
P < 1e9
�����
MP (P, T ) =
⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩
T ≥ 760.0 + 273.15− 60.0 ·(P − 1e9
1e9
)2
T ≤ 1000.0 + 273.15− 150.0 ·(P − 1.2e9
1.2e9
)2
P ≥ 1e9
P ≤ 1.5e9 + 7e8 · T − (700.0 + 273.15)
200.0
�����
���
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
HP (P, T ) =
⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩
T ≥ 1000.0 + 273.15
T ≤ 1100.0 + 273.15 + 50.0 ·(P − 3.5e9
3.5e9
)
P ≥ 2.35e9 + 1.5e8 · T − (1000.0 + 273.15)
100.0
P ≤ 5e9
�����
���� ���� ��� �� ��� � ���� � ����� � ���� ��� ���� ���� � ��� ��� ���
����� � ������ ������ �� �� ���� ����� � ��� �� �� ������ �� MgO �����
���� ����� � ������ ��� � ������� !""��
��� �# � ������� �������$��������������� %��&'%( ��)� �*���� ��) + ��� !!,�
� �) �� -����� . )�� �� ���� ���$������ �������� �� ����� ��* �� �
��� �� �� �/��� ��� ���� � �� 0�$������ ��� ����$� ��)� �$ ��) ���$��� ��
��* � ��� ���� �� ������� ��� �� �������� �� ��� ��* �� ��� �� ���)�
1��� ������ ��� ���� ��)���) ��2� �������� �� ����� � �� �) ����� ��� ��
�� ���� )���� 0�$���)�� � �/�� ��� ���� � ��� �� �������� �� ����$ ��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��� �� �� ����� �� � ���� �� ����)��� �� ��
"�:
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
��������� �� �� ������ ����� ������������ ����� �� ���� 15Myr �� ����� ��
������� ������ ����� ���� ����� ��������� ����� ��� �� 20Myr ��������� �� � ��
���� ����� ������ ��� �� ���� 60Myr �� ��� ������� ���� ������ ����� ����� ��
������� �� 80Myr �� ���� ����� �� ���� ������� ������ ����� ����� �������
��������� ��� ��������� �� � �� ���� ��� �� ���� �� �� ���� ���� � �������� ��
�� ���� ����� �� ���� ������� ������ ����� ����� �� ����� ����� ��� ���
����� ����� �� ��������� ����! ��� ���� ����� ���� �� ������ ��" ��� �
���������� ����� �� �� ���� ���� ������� ����� ��� ������
#��� ������� ������ ����� ����� ��� ������ ����� ��� �� �� ������ $ %
������� �� ������� �� ��� �� � ������ ������ ��� ������� & ���� � ����������
�� & ������ ������� ��� �� ��������� ���� ����� ����� ����� �� ����� ��
���� ������� ������ ����� ������ &������ ∼ 30% �� �� ���� ����� �� ����
������� ������ ����� ����� ��� ���� �� �������� �� & ������ �������! ���� �
��� �� ������ ������ ��� �� �� ��������� �� �� ���� ����� '�('��
)������� ��� �� & ������ ������� ��� ����� ����� ��� ��� �� ����� ���� ������
�� �� ��������� ����� *������! �� ��� ���� ���� ��� ��� �� ����� ����� ��
������ ������ ��� �� 80Myr! ����� �� ������� �� �� & ������ ������� ���
������� ∼ 30% �� �� ���� ������� ������ ����� ����� �� ���� ����� ��� ����
�� ������ $ %�������� � �������� �� �� & ������ ������� ����� ��� ����
����� �������� ���� ���������� ������
5.3.2 Distribution of TTG source regions into distinct PT-windows
+� ���� ��, �� ���� ����� �� ������� & ������ ������� �� ��� ���� �� ���� ���
�� ����� ���� �� ����� �� 100% ��� ��� ������� � � ��������� �� & ������
������� ����� ���� *$! #$ �� -$ ������� �� ���� ��� ��� ������� ! ��������� �� �
���� ��� ��� �� ��������� �� *$ & ������ ������� ��� � ����� ��� ��� �� ���
�� *$ ��� #$ & ������ ��������
&������ -$ ��� #$ & ������ ������� ��� ��� ���� �������� ��� *$ &
������ �������� +� �� ��������� ���� �����! �� *$ & ������ ������� ��� ��������
�� �� ��������� �� �� ���� ��� ���������� ������� #$ ��� -$ ������ �������
���� ������� ����� �� ���� 20Myr ����� ��'��� ����� �� ���� 60Myr �������
�� ������� �� �� #$ & ������ ������� ��� ���������� � �� 100%� �� 80Myr �
(,.
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
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! �� ����� ���������� �� ������� �� �� ��� ���� �����
"#$
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
���� ���� � 0% �� � �� ��������� �� �� ��� ������ ������� � � � ��������� ���
��� � ���� ���� � � �� �� �� ∼ 40%�
�� ���� ����� �� ��� ������ ������� ��� ���� �� � ��� ��� �� �� ���� �������
� ���� ���� � 100% �� ��� ������ �������� �����! ��� � ���� ���� �� 10Myr
� ��� � 80Myr � ����� �������� �� � ��� �� ��� ������ ������� ��� �� ��������
���� ���� � � ��������� �� 20% �! 50% �� ��� 30% �� ��� ������ �������
"#��� $�%�&� ���� ����� ����� ���� ���� � �� ��� ������ ������� ��� �� �
��� ������ ������� � � � �� �� ��� 20Myr �� ���� ���� ����� ���� �� � ���� ��
�� ��� ������ ������� � 30%� ���� �� �� ���� ���� ��� � 10% "#��� $�%�&� '�����
��� �� ���� ���� ���� ��� �� �� ���� ������� ����� � �� �� ���� �� ����� ��
��� �� �� ������ ��(������
5.3.3 Interpretation of TTG source region development with regard togeodynamic model development
'� ��� ������ ������� ��� ������ ������ �� ��� � ��� ��� ��� �������� �� ��
����� ����� ���������� ���������� � �� ���� ���� "#��� %�)�&� ��� �� ����
������ �� �������� ����� 20− 80Myr �� � ������ �� � ������� � *��� ������
�� ����� ����� ��� ���������� ���� "#���� %�+� � %�+�&� '� � ������ ����
�� ����� ���� ����� ������ �� �� ��� ����� ���� �� � � �� �� �� � �� ����
�� ����� �������� �� �� ���� � ����! ���� � ����� � ��� �� � � � ������
��������� �� ��� ������ ������� ���� ���� � ���� � �� �� ��� ������ ��������
���� ��� ���� ����� �� �������� �� � ���������� ������� ����� ��� �������
���� ���� ∼ 10Myr ��� ����� � 80Myr� ���������� � ���� ���*��� �� ���� �����
������� � � ����� ������ ���� ���� �� �������� �� �� ��������� ��� ��� ����
"#���� %�+� ��� %�+�&� ���� ��� ���� �� �� �� ����� ����� �� �� �� ��� �
��� �� � � ���� �� �� ��� ������ ������� ����� ��� �� �������� �� � ���������
� �� ��������� ��� � ��������� ��� ��� ���������� ��� (��� � ��������� ����
��������� �������� �� ����� �� � �� ��� �� �� �� �������� ���� �� ������ ����
�� �� � � ������� � ��� ������ �������� ,��� �� ���������� ������� ����!
������ ������� �� ���� ���� ��������� � ��� ������� �� �� ��� ���� ���� �������
� �� ����� � �� �� ���� ��� ���� ��� ��� ������ ������� ���������� �����
� �� �� ��� ����� ������ �� ������� �����
)-.
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
����� ����� ��� � ���� �� � ����� �� ��� ������ ��� �������� �� ��� ������
��� ����� ������ ���� ������ �� � ������ ����� ���� �� ��� ���� �� ��� �������
�� � ��������� ���������� � ������ ���� �!�"� #�� ����$���� � � ������ ����
������� ��� ��� ������ �� ��� ������ ������� ����� ����������� �������� �
���� ����� �� ��� �������� ������ % � $��� ������ ����� ��� ����� � ������
����� �!� �� �!�" ��� � ������� ������� �� ��������� � ����������� �����
��� ���� ����� �!� �� �!�"� #�� ������� ���� ������� ������� �� �������
&' �� (' ##) ������ ����� ����� �� � ��������� �� 20% &'� 50% �' �� 30%
(' ##) ������ ������
����� ����� ����� ��� � ���� ����� ������ *� ������� �������� ��� ��� ��������
����� ������ ���� ������ �� � ����� ��� ������� ��� ����� ����� �� ����� �
�������� �� ������ ���� �� ��� ����� �� ������ ������� ����� �+� �� �+�"� *� ���
����� ������ �� � ���� ����� �� ����� ������ ������ ������� ����� � ������ ���
��� �������� ����� �� ���������� �� ##) ������ ����� �� ����� ����� ��������
�� ����� ����� ��� ������ ������� �' ##) ������ ����� ��� ��� ��� 50Myr�
,�� �� ��� ����� ����� ������ �� ��� ����� ����� �������� ��� ��������� �� �
����� �� �� ����� ������� ����������� ������ � ���� �� �������� �� �������
������� �� ��� ����� ��� �������� �� � ������� ���� ����� ����� ���� �+"�
-���$������ � ������������ ���� &' �� (' ##) ������ ����� �� 80Myr� ��
� �� �� �������� ��� ��� ��� ������ ��� ���� �� � ����� ������" �� ����� �� �
����� ������"� ���� �� �.���
����� ��� ��� ��� ���� ����� ����� �� ����� ������ �� � ���� �� � ����� ��
��� ��� ������ &������� �������� �� ��� ����� ������ ��������� �������� �
������ ������� #�� ����� ��� ��� ������ �� ����� �� � �������� �������� ����� �����
� ���� ����� �� ��� ����� ��� ������ ��� � �� � ������ #�� ��� ����� ����� �
������� �� ��� ��� ����� ����� ����� �� ��� ��� ������� ���������� �� �
##) ������ ����� ��� ������ �� ��� ������ ,����� 20− 80Myr ��� ����� �.����
� $��� ������ ����� ����� ������ � �� � �������� �������� ����� ����� � ������
�� ��� ����� �/� �� �/�"� * ����� ������ �� � �������� �������� ����� �����
������ �� 80Myr ������ ��� �� �� ��� $��� ������ ����� ����� �/� �� �/�"�
#�� ������ ����� ������� ������� ����� �� ��� ������� �� ����������� ������
������ ���� ��� ���� �� ����� ������� �� ���������� ������� ����� �/� �� �/�"�
&������� ����� ����������� ��������� �� �������� �������� ����� �� � ����� �� ��
���� �� �� �� ��� �� �� '#���������� ��� ##) ������ ������
0 1
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [Myr]43.532.521.510.50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [Myr]1614121086420
Perc
enta
ge o
f sta
cked
low
-, m
ediu
m- a
nd h
igh-
pres
sure
TTG
-sou
rces
[%]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time [Myr]180160140120100806040200
HP+MPHPD100bC20 (with hydration)B20 (with hydration)A20 (with hydration)D100D20D0C20B20A20B100bE100b
b
a
c
Initialplume
growth phase
Overturnevent
growth phase
������ �� ��� ��� ����� �� ������� �� ����� �� ������� �� ����� ���� � ��� ��� � ������ � ������ ��� ���� �� ��� ����� ����� �� ����� ���� ��� ����� ���� �������� ��� �� ������ �� ������ ���� � ��� ��� � ������ ����� ��� ������ ���� �������� ��� �� ������ �� ��� ��� �� ���������� ������ ���� � ��� ��� � ������� ��� � ������� �� ��� �� 16Myr �� ����� ����������� �������� �� � ������� �� ��� �� 4Myr �� ����� ����������� �� ������
���
Time [Myr]
1801601401201008060402000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
MP
LP
HP
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
180160140120100806040200
MP
LP
HP
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
180160140120100806040200
MP
LP
HP
b
a
c
Perc
enta
ge o
f sta
cked
low
-, m
ediu
m- a
nd h
igh-
pres
sure
TTG
-sou
rces
[%]
Initialplume
growth phase
Overturnevent
growth phase
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
5.4 Conclusion
�� ���������� ��� ��� �� �� � � �������� ����� �� �� � ��� ��� ����� ������
�� �� �� � � ��� ���� ��� �� � ���� ������ ��� ����������� ������ ����� � ������
������ �� �� �� �������� � ����� ���� �� � ���� ��� ��� � ���� ������ ��
� ���� �� �� ������ ��� ��� ���� �� ���� � �� �� ���� �� �� !"#$"#%"
��� ����� ������ ������ � ��� � ���� ������ ����� �� � ��� ��� ���� ��
������� ��� ��� ����� ���� 0 − 70% !" ��� 100 − 30% $" ��� ����� ������
��� �� %" ��� ����� ������ �� ����
&����� �� ��� ��� �� � � �������� ����� �� �� � ��� ��� ����� ������
�� � ������ ������� ��� � ��� ��� ����� � � ��'� ���� � ���� ��� ��
!"#$"#%" ��� ����� ������ ��� ���� � � ����� ������ �� $��� �()**�
� � 20% %"� 60% $" ��� 20% !" ���� �� �������� �� � � ���� ������ �� �
����� �� �� � ��� ��� ����� ������ � 80Myr ��� �� � � ������� ��� � � �����
��� �+�� , (�� �� �� � � � ����������� ��-� �� ���� �� �� !"#$"#%"
��� ����� ������ � � ��� �� ����� � �� ������ ��� �� ��� ������ ��� ��
� ����� ����� ����� �� ��� ���-�
. ����� �� � ���� �� /����� ����� ����� �� ������ � � ��� ������
��������-� � ��� �� ���� ��� ������ ������ � ���� ∼ 10Myr ���� � �� �
��� ��� ���� �� � �������� � ����� ���� ��� ������� �� ���� ���� �� �����
�� ∼ 100Myr
References
" ������ � %�-��� �� ��� 0 &���� �� ��� ��� �� ����� ��� � ����
� ��� �� ��� ��� �� ���� ���������� ����� �� ������ �������� �������������
����
� ������� ��� � ����� ����� ����� �� !� ����"����� # ��$�����"� ��"� �% � !������
!"������$ ����"��� ������� �� ����� ���� �� �����
� & ����� ��� % # ' �� �"( �� ��������������� !���"� )"� !"������$ ! ��������
*���"������"�������� ����!"�!��������� ��"(��!� ������� �� �� ����� ��� ��������
��������� �+������,����� ���-
��
������� � �� ���� �� ��� �� ��� ������� �� �� ������ ���������
�� �� ����� � �� � ��� �� ���� �� �� ������� ��� �� �� ��� ��� ��� � �� �����
�� �� ��� � �������� �� �!��"���!��� �!��!� ��� ��� �� ���� ������ #$%&%#%%'(
$$)*$$# $+)#�
,� -�./��.�� � ��� �� 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
Chapter 6
Conclusion and outlook
��� ���� ����� � �� ���� ������ ��� �� ���������� ��� ������� ��� ����� �� ����
������ �� ���� ������ ��� ����� ������ ������ ��� �������� ��� ���������� ���
��������� � �� �� ������� ����� ������� �� �� ��� ������ �� ����� ��������� �� ��� ��
����������� ������ ���� ���� ��� ����� �� � ����� �� ��������������� � ���������
���������������� ��������� ������ �� ������ ������ ��������� ������������� ���
��������� ������� �� �� � ������� �� ��� ���� ���������� ����� ������ �� ���� ����
��� ��������� ������� ����� �� ������ ���������
6.1 Main achievements
!��������������������� � ������ ������ ������� ������ ������ ��������� �����������
��� � ��"����� ���� �� ��������� �� ��� ����� ����� �������� �� ��� ������� ���� #�
�� ��������� ��� �������� �� �������� ����� ��� ������� ����� ��������� ����� �� ���
�� � ����������� ������ � ������ ������ ��������� ����������� Tp $ΔTp = 0−250K�
�������� �� ����������� ����������%� &������ �� ��������� �'��������� ���������� ��
������������ ��������� �� ����������� ������ ������������ $ΔTp = 0K%� �������
�� ������ ����������� ����������� ��������� ���������� ������� �� ��� ����� �� ���
������������ ����������� ��� ������ ��� ������ ������ (�� ΔTp = 50−100K � ������
�� �������� ��������� ������� ����� �� ����� ��� ������� �� ����������� ���������
�� �� ������������� � ���)���� �������� ���� ��� ��� ��� ��� � ���� �� ���������
�� ��� ���� ���������� � ����� ������������ ������ �������� ��������� ��� ��������
���������� �� ������� ���������� ΔTp = 150− 200K �������� ��������� �� ���� ��
�������� ���� ������� �������� ����������� ����� ����������� �� � ������������ �������
(�� ΔTp = 250K� ��������� �)�� ����� �� ����� �������� ��� ���������� ��������
����� �� ������������� � ����������� ������ ��� ������� ������� �������� ������������
����� ������� ����� ��� ����� ������� � �� ������ ��� ������� ����� �� ����� ������
� ����������� ���������� ���� ���� ������ ����� ���� ��������������� �� ���������
���������� ���������� ������ ��� ��� ����������� ��������� ��������� ��� ����� ����
������� ������ ���������� ��� �� ������������ ������������ �������� �� ��� ��������
������� ��� �������� #� �������� ���� ���������� �������� ��� ���� ��������� ����������
*+,
������� � ��� �� �� ���
������� ������� �� � ��� �� ��� ������� ��� �� ��� � �� ����� ��� ���� ����
��������� �� ���� ��������� ������ ����� ��� ���� ��� ������� �� �� ������
����
��� �������� �� ����� ������ �� ������ ������ � ���������� � �� ��������� ��
��������� ��� ����� ������ � � ���� ��� �� ���� �� �� ������� �� �������� �����
��� �� ����� ������ �� ���� � ��� �������� ����� �� � ��� ������� �� �� ��
�� ����� ��� � �� ���� ������ � ����� � �� ���� � �� ������ ������� �������� ���
��� ���� �� �� ���� ����� ���� � �� �� �������� ��������� � ���� �� ���� ��� �
���� �� ���� ��� �� ������� � ����� �� ������ � ����� �� ���� �� ����� !"��#�����
$%&'( ��� �������� ���� )� �� ��� ����� �� ����������� ��� �� *�� ������ ��� ��
���� �� ������� ��� ��� �������� ������� � ������ � �������� ���� �� �� � ���
����� � �� � ����� ������� � �� �������� �� ��� �� �� ����� ��� �� � �� ��� ���
+� ���� ���� �� �� ��� ����� � ������ � ������ ��� ���� �� � ������ ��� �����
����� �� � �� ������ �� �� ���� ����� ��� �� ��� ��� �� ����� �� ��� ������ �
*��� ��������� !,�� -�������� � $%&&. /��� � &000(� ���� ����� �� �� ����� �1�
���� �� �� ��� ������� ����� �� ��� ��� ������ ��� ��� ����� ��� ����� ��
������ ��� �� ���� ��� �� ��� ��� ���� ������� �� ������ � �� /������ �������
�� ��������� � 2����� !$%&�( �� ���� ��� � �� ��� ����� ����� !2���� ��� +����
$%&�(� 3� ��������� �� ���� �� �������� �� ����� ����� �� ��� ��� ������ ��
������ ��� ���� �� ���� ���4 !&( / ���� !80−100Myr( ��� ���� ���� 5�� 6���� �
�����7 ����� �� ��� �� � ���� � �� ��� ��� �� ��������� �������� � !$( � ����
!∼ 20Myr( ��� �� �� ������ 6������� �����7 ����� �� ���� ��� � �� �� ��� ���
��� �� �� �������� ��� ������� � ������ �� �������� ��� �� �� �������� ���� ������� �
�� ��� �� �������� ���� �� �� ��� ������ ���� ����� �� ��� �� /������ � �������
� ����4 -�8��� ��� 9��� !&00$(. :����� ��� ��� -� �� !$%%&(. ;<���� !$%%=(. ���
������� � ��� !$%%>(�
�� ����� ������� �� �� �������� �� ����� ������ � ���� ������ � ��������� � ��
����� ���������� �� �� �� ��� �� ����� ��� �� ������� ��� �� ��?�� +� ���� ���
������ �� �� �� ��� ����� ������� �� ����� ������ ��� ������������ ��?� ���������
� ���� @������� ����� ������� ���� ���� �� ��� ��� ��� �� ����� ��� � ���� � ��
�� �� ����� ����� ������� ����� �� ��?� ����� ���� ����� �� ���� �� ����
��� ����� ��� ������ ���� �� ����� ������� ���� ����� � �� ��� ����� ������� �
2��� !$%&&(� +� �������� ������� �� ��?� ��� ������� �� � �������� �� �����
�� � ����� �� ���� !10Myr( ���� �� ������ ��� �� ����� �� ∼ 100Myr�
&'=
������� � ��� �� �� ���
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
< 100 yr
> 80Myr > 12months
6 − 9GB
6.2.2 Outlook II: Refertilisation of depleted mantle by delamination of eclogite
������� � ��� �� �� ���
��������� ������ ������������ � �������� �������� ����� ����� ��� ���������� ��
���� ������� � ��� ����� ���� ���������� ������� ������� ������� ��� �������
� �������� �� �������� ������ ��������� ����� ���� �� � ������� �� ��� �����������
������ � � ������ ����∑
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?
������� � ��� �� �� ���
�� �� ������ �� � �� ������� �������� ������������� �� ���������� �� ���
�������� ������ �������� ��� !"#$ %#$�� �& ��
�� �� ������� � �� ������� �� '� (� )������� )�� ����� �� ��� �*��� ������ �
������� ��#�&!"�&%�+� �& ,�
-� (� (����� + . (������ �� /���� 01������� 2 ���� � � ����� �� �������
������� ����� �3$%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�� ������ � ������� �? " #+%���� �& $�
$
������� � ��� �� �� ���
�� �� ��� ��������� ��� ������� ���� �� �� ��� �� ������� �������� ����
���� �� �������� ������� ��� ��������� ������� �� ����� ��� � �������� ��
� !"#$�%# &� &�''�
(� ��� )����� *� �� ������ �� +� (� ��� � ���� +����,�� �� �� ������� �������-
�� ���� �������� �� .�� ��������, �� �� �������� �� /����� ���� �� �����
������ �� �� ��� � ��� ����� ��� �� ������ ' ��$!"&01%#' � &�� �
)� /� 2��� �� (� /� ��� ���� ��� +����� �������� ���,����� �- �������
��,�������� �������� &3�'&!"'�0#%'�0�� &��'�
' &
Acknowledgements
���� ������ ��� �� �� ������ ���� ��� ��������� �� ���� �� �� ������� � �����
���� �� ���� ��� �� ������� � ����������
����� �� ���� ���� � ����� ���� �� ������� � ������ ��������� �� � ����������� �����
��� ����� ����� �� ��� ��� ������� � � ������ ������� ���� � ������� �����
� �����!� ������ �� "�# ����� ��$��� � ������� � ������� �� ������ ����
���������� � ��� ���� ������� �� ��� �� � ��� �� �� ����� � �����!� ������ ����
��� ���������� �� ���� � ��� �������� ����� � �� � ���� �� "�# � ��%���
���� ��� ��� ��� ���� ���������� �������� ����������� ������� ������ �� �����
�������� ��� ������� � ����� ���� �� ���� �� ��� ��������� � �� ��� ����� ��
������ ��� �� � ������ ������� �� ��� �� ���������� ���� � ���� ��� ��
����
� � ���� �������� �� ����� ��� ���� ������� ��� ����� � ��� ���������� �� ���� �
��� �� ����� �� � ��� ������ �� �� ����������� � �� ���� �� ��������� ���
���� ��� ������ #�� �������� &'� ������ ������� � ������! ��� �� �� � ����������
����� � �����!� �� "�#� � ����� ���� ���� �� ���� �� ��� ������� �� ��� ��
� �����
� ����� ���� ���� �� ���� ��� (���� �� #�� ��� ������� �� ��� �� � ������
�� �������� ���� ������ �� � ����� ���� �� ����� � ��������� �� �� ��� � ����
�������� ������ �� � %��� ������
� ���� �� �� )*+,� � ��� ��� ���������� �� ����� �� ����� � -����� ������ �
� ���� �������� �� ����� ��� -����� .�/�� ��� �������� ��� ���������� �������� ��
��� 0������ �������� ���� � ����� ���� ���� �� ���� ����� ��� ���� �� 1���
��� �������� � %��� ���� �� ��� 2� ���� ����
����� � ��� � ��� ��� ����� �� ���� ���� �� ����� ������ � ��� �� �����
�� � ����� ���� �� ���� ��� ���� 0�� � ���������� � ����� ���� �� ���� ����� ���
����� ����� ��� ������ �� ��� � ������� ���� ��� �3"24�5 ���� �� ��������
�������� ��� ��� $����� �� ��
-� �� ������ � ���� � �� ��� ��� ������ ��������� � ���� ����� �������� �
���� � ����� ��� ��� ����� �� ��������� � ��� -��� ����� ��$��� � �������
+63
�������������
�� ��� ������ ���� �� �� ��� ��� ��� ������ �������� ��� � ����� �� ���� ��
������� ���� ���� �� �� ��� ��� ������ � ��� ������� ����� ��� � �����
�� ����������
��� ���� ��� ��� ���� � ����� �� ����� ������� ������ �� ��� �������� ������
��� �� �������� ����������� ����� ������ ������
� !
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
���
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
���
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.
���
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.
���