Identification of kinematic boundary conditions triggering removal of material in tectonically erosive margins: Insight from scaled physical experiments

Abstract

The process of subduction erosion remains largely enigmatic. Yet, although 60% of the convergent margins are erosional and the 40% left correspond to accretionary, the scientific debate has mostly focused on the latter. Former studies have correlated features characterizing several erosional margins to hypothesize about those parameters either controlling or triggering the process of subduction erosion. Those features include thinner blanket of sediments, thinner subduction channel (SC), larger tapers, subsidence at the upper-middle slope, etc) distinguish erosional from accretionary margins. We attempt to identify potentially relevant parameters involved in or controlling mass-transfer modes in brittle, tectonically erosive forearcs by means of four series of sandbox experiments. Each series represents one potential parameter. During the sandbox experiments, we were able to track particle displacement by using Particle Image Velocimetry (PIV). The analysis was focused on internal and basal material transfer, mass transfer mode patterns, wedge geometry, SC evolution and frictional properties of the analogue granular material. A wedge built with a Mohr Coulomb material, reproducing brittle behavior of rocks, is characterized by variable frictional strengths, conditioning mechanical interpretations to the spatio-temporal frictional strength variations. (What do you mean by “conditioning mechanical interpretations?”) This hypothetical erosional forearc (i. e. no incoming sand layer, high frictional basal detachment, strong granular material) was designed initially in a critical taper state and with rear material loss. First observations pointed to a strong interaction between SC segmentation and wedge deformation. The spatial distribution of the frictional strength within the wedge mainly controlled the loci and/or volumes of modes of mass transfer. Phases in the evolution of the components of the velocity field were observed, implying that subduction erosion may be an irregular process. The variable behavior of the frictional strength also determined the flow inside the SC. The first experimental series, in which the amount of material loss at the wedge's rear was systematically varied, confirmed the strong influence of the SC on the wedge evolution. The second experimental series was designed to analyze the influence of different surface taper angles. This series showed that the temporal variability of the different frictional strength values controlled the geometry of the SC and the stability of the wedges. The third series, which evaluated the effect of internal friction properties of the granular material of the wedges, indicated that basal erosion was more favorable for strong wedges, which may be the case for wedges composed of crystalline basement (usually the case for erosional margins). The fourth series tested the response of the wedge to topographic highs and lows on the incoming plate. These bathymetric anomalies favored frontal erosion and basal erosion at the frontal segment of the wedge and inhibited basal erosion at the rear part of the wedge. This study was the first investigating potential kinematic boundary conditions for subduction erosion in a systematic manner. For the subduction erosional process, the aperture at the box's rear, which allowed rearward material loss, was shown to have the largest influence on obtained results. If the amount of material leaving the system was larger than the amount of material subducted at the wedge's toe, the margin evolved as erosional. We found the surface slope to be the second important parameter, strongly controlling the amount of basally eroded material.

Der Subduktions-Erosionsprozess ist bisher weitgehend unverstanden. Obwohl 60% der konvergenten Plattenränder Erosion aufweisen, und nur 40% Akkretion, hat sich die wissenschaftliche Debatte bislang primär auf letztere fokussiert. Früheren Studien korrelierten Eigenschaften einiger erodierender Ränder, um Hypothesen zu Parametern die die Subduktionserosion kontrollieren oder triggern aufzustellen. Solche Merkmale, z.B. eine dünnere Sedimentdecke, ein schmalerer Subduktionskanal (SC), größere Kegel, Subsidenz im oberen Hangabschnitt, unterscheiden erodierende von akkretionierenden Plattenrändern. Wir identifizieren potentiell relevante Parameter die den Massentransfer in spröden, tektonisch erodierenden Fore-Arc-Becken mit Hilfe von vier Sandbox- Experimentserien. Jede Serie entspricht einem potentiellen Parameter. Partikelbewegung während der Experimente wurde mittels Particle Image Velocimetry (PIV) gemessen. In der Analyse fokussierten wir auf internen und basalen Materialtransfer, Massentransfer-Muster, Keilgeometrie, SC Evolution und Reibungseigenschaften des genutzten gekörnten Materials. Ein Keil aus Mohr-Coulomb-Material der das spröde Gesteinsverhalten reproduziert ist von unterschiedlichen Reibungstärken gekennzeichnet. Dies weist auf mechanische Bedeutung von räumlichen und zeitlichen Reibungsstärkenvariationen hin. Dieser hypothetische erodierende Fore-Arc mit fehlenden Sandlagen, hoher Bodenreibungsablösung, und grob granularem Material wurde ursprünglich in einem kritischen Kegelzustand und mit rückseitigem Materialverlust aufgebaut. Erste Beobachtungen wiesen auf eine starke Interaktion zwischen SC- Segmentation und Keildeformation hin. Die räumliche Verteilung der Reibungsstärke innerhalb des Keils kontrollierte Volumen und/oder Ort des Massentransfers. Phasen in der Evolution der Komponenten des Geschwindigkeitsfelds wurden beobachtet, die implizierten dass Subduktionserosion ein irregulärer Prozess sein könnte. Das variierende Verhalten der Reibungsstärke bestimmte auch den Fluss innerhalb der SC-kanäle. In der ersten Experimentserie wurde die Menge an Materialverlust am Keilende systematisch variiiert, und der starke Einfluss der SC-kanäle auf die Keilevolution bestätigt. Die zweite Experimentserie untersuchte den Einfluss verschiedener Keilwinkel, und zeigte, dass die zeitliche Variabilität der Reibungsstärke die Geometrie der SC-kanäle sowie die Stabilität der Keile bestimmte. Die dritte Reihe, die den Effekt interner Reibung durch Eigenschaften des granulären Keilmaterials evaluierte, zeigte, dass basale Erosion starke Keile favorisiert, wie z.B. in den oft gefundenen Keilen mit Kristallbett . Die vierte Serie testete die Keil-Antwort auf topographische Höhen und Tiefen der einkommenden Platte. Diese bathymetrischen Anomalien favorisierten basale und frontale erosion im vorderen Keilsegment und unterdrückten Basalerosion im hinteren Keilteil. Diese Studie untersuchte zum ersten Mal systematisch die potentiellen kinematischen Randbedingungen für Subduktionserosion. Die Apertur an der Box-Hinterseite, die den Materialverlust ermöglichte, hatte den größten Einfluss auf den Subuktions- Erosionsprozess. Wenn die Materialmenge die das System verließ größer als die am Keilfuß subduzierte war, wurde der Rand erodierend. Als zweiter Parameter wurde der Oberflächenwinkel identifiziert, der ebenso stark die Menge an basal erodierendem Material kontrollierte.