Anthony Osei Tutu

• Lithospheric plates move over the low viscosity asthenosphere balancing several forces. The driving forces include basal shear stress exerted by mantle convection and plate boundary forces such as slab pull and ridge push, whereas the resisting forces include inter-plate friction, trench resistance, and cratonic root resistance. These generate plate motions, the lithospheric stress field and dynamic topography which are observed with different geophysical methods. The orientation and tectonic regime of the observed crustal/lithospheric stress field further contribute to our knowledge of different deformation processes occurring within the Earth's crust and lithosphere. Using numerical models previous studies were able to identify major forces generating stresses in the crust and lithosphere which also contribute to the formation of topography as well as driving lithospheric plates. They showed that the first-order stress pattern explaining about 80\,\% of the stress field originates from a balance of forces acting at the base of theLithospheric plates move over the low viscosity asthenosphere balancing several forces. The driving forces include basal shear stress exerted by mantle convection and plate boundary forces such as slab pull and ridge push, whereas the resisting forces include inter-plate friction, trench resistance, and cratonic root resistance. These generate plate motions, the lithospheric stress field and dynamic topography which are observed with different geophysical methods. The orientation and tectonic regime of the observed crustal/lithospheric stress field further contribute to our knowledge of different deformation processes occurring within the Earth's crust and lithosphere. Using numerical models previous studies were able to identify major forces generating stresses in the crust and lithosphere which also contribute to the formation of topography as well as driving lithospheric plates. They showed that the first-order stress pattern explaining about 80\,\% of the stress field originates from a balance of forces acting at the base of the moving lithospheric plates due to convective flow in the underlying mantle. The remaining second-order stress pattern is due to lateral density variations in the crust and lithosphere in regions of pronounced topography and high gravitational potential, such as the Himalayas and mid-ocean ridges. By linking global lithosphere dynamics to deep mantle flow this study seeks to evaluate the influence of shallow and deep density heterogenities on plate motions, lithospheric stress field and dynamic topography using the geoid as a major constraint for mantle rheology. We use the global 3D lithosphere-asthenosphere model SLIM3D with visco-elasto-plastic rheology coupled at 300 km depth to a spectral model of mantle flow. The complexity of the lithosphere-asthenosphere component allows for the simulation of power-law rheology with creep parameters accounting for both diffusion and dislocation creep within the uppermost 300 km. First we investigate the influence of intra-plate friction and asthenospheric viscosity on present-day plate motions. Previous modelling studies have suggested that small friction coefficients (µ < 0.1, yield stress ~ 100 MPa) can lead to plate tectonics in models of mantle convection. Here we show that, in order to match present-day plate motions and net rotation, the frictional parameter must be less than 0.05. We are able to obtain a good fit with the magnitude and orientation of observed plate velocities (NUVEL-1A) in a no-net-rotation (NNR) reference frame with µ < 0.04 and minimum asthenosphere viscosity ~ 5*10e19 Pas to 10e20 Pas. Our estimates of net rotation (NR) of the lithosphere suggest that amplitudes ~ 0.1-0.2 °/Ma, similar to most observation-based estimates, can be obtained with asthenosphere viscosity cutoff values of ~ 10e19 Pas to 5*10e19 Pas and friction coefficient µ < 0.05. The second part of the study investigates further constraints on shallow and deep mantle heterogeneities causing plate motion by predicting lithosphere stress field and topography and validating with observations. Lithosphere stresses and dynamic topography are computed using the modelling setup and rheological parameters for prescribed plate motions. We validate our results with the World Stress Map 2016 (WSM2016) and the observed residual topography. Here we tested a number of upper mantle thermal-density structures. The one used to calculate plate motions is considered the reference thermal-density structure. This model is derived from a heat flow model combined with a sea floor age model. In addition we used three different thermal-density structures derived from global S-wave velocity models to show the influence of lateral density heterogeneities in the upper 300 km on model predictions. A large portion of the total dynamic force generating stresses in the crust/lithosphere has its origin in the deep mantle, while topography is largely influenced by shallow heterogeneities. For example, there is hardly any difference between the stress orientation patterns predicted with and without consideration of the heterogeneities in the upper mantle density structure across North America, Australia, and North Africa. However, the crust is dominant in areas of high altitude for the stress orientation compared to the all deep mantle contribution. This study explores the sensitivity of all the considered surface observables with regards to model parameters providing insights into the influence of the asthenosphere and plate boundary rheology on plate motion as we test various thermal-density structures to predict stresses and topography.…
• Lithosphärenplatten bewegen sich über die niederviskose Asthenosphäre, wobei mehrere Kräfte im Gleichgewicht stehen. Die antreibenden Kräfte umfassen eine basale Schubspannung, die durch Mantelkonvektion verursacht wird, und Plattengrenzkräfte, wie z.B. slab pull und ridge push, während die widerstehenden Kräfte die Reibung zwischen Platten, Widerstand an Tiefseegräben sowie an den kratonischen Wurzeln umfassen. Diese Kräfte erzeugen Plattenbewegungen, das lithosphärische Spannungsfeld und die dynamische Topographie, die mit verschiedenen geophysikalischen Methoden beobachtet werden. Die Orientierung und das tektonische Regime des beobachteten Krusten- und lithosphärischen Spannungsfeldes tragen weiter zu unserem Wissen über unterschiedliche Deformationsprozesse in der Erdkruste und Lithosphäre bei. Mit Hilfe von numerischen Modellen konnten frühere Studien die wichtigsten Kräfte identifizieren, die Spannungen in der Kruste und in der Lithosphäre erzeugen, und die auch zur Bildung von Topographie sowie zum Antrieb derLithosphärenplatten bewegen sich über die niederviskose Asthenosphäre, wobei mehrere Kräfte im Gleichgewicht stehen. Die antreibenden Kräfte umfassen eine basale Schubspannung, die durch Mantelkonvektion verursacht wird, und Plattengrenzkräfte, wie z.B. slab pull und ridge push, während die widerstehenden Kräfte die Reibung zwischen Platten, Widerstand an Tiefseegräben sowie an den kratonischen Wurzeln umfassen. Diese Kräfte erzeugen Plattenbewegungen, das lithosphärische Spannungsfeld und die dynamische Topographie, die mit verschiedenen geophysikalischen Methoden beobachtet werden. Die Orientierung und das tektonische Regime des beobachteten Krusten- und lithosphärischen Spannungsfeldes tragen weiter zu unserem Wissen über unterschiedliche Deformationsprozesse in der Erdkruste und Lithosphäre bei. Mit Hilfe von numerischen Modellen konnten frühere Studien die wichtigsten Kräfte identifizieren, die Spannungen in der Kruste und in der Lithosphäre erzeugen, und die auch zur Bildung von Topographie sowie zum Antrieb der lithosphärischen Platten beitragen. Sie zeigten, dass das Spannungsmuster erster Ordnung, das etwa 80% des Spannungsfeldes erklärt, aus einem Gleichgewicht der Kräfte stammt, die an der Basis der sich bewegenden lithosphärischen Platten aufgrund der konvektiven Strömung in dem darunter liegenden Mantel wirken. Das verbleibende Spannungsmuster der zweiten Ordnung ist auf laterale Dichtevariationen in der Kruste und der Lithosphäre in Regionen mit ausgeprägter Topographie und hohem Gravitationspotential zurückzuführen, wie im Himalaya und an den Mittelozeanischen Rücken. Durch die Verknüpfung der globalen Lithosphären-Dynamik mit den tiefen Mantelströmungen versucht diese Studie, den Einfluss von flachen und tiefen Dichte-Heterogenitäten auf die Plattenbewegungen, das lithosphärische Spannungsfeld und die dynamische Topographie mit dem Geoid als einer wesentlichen Randbedingung für die Mantel-Rheologie zu untersuchen. Ich verwende das globale 3D-Lithosphären-Asthenosphären-Modell SLIM3D mit viskoelasto-plastischer Rheologie, gekoppelt in 300 km Tiefe an ein spektrales Modell der Mantelströmung. Die Komplexität der Lithosphären-Asthenosphären- Komponente ermöglicht die Simulation der Power-law-Rheologie mit Kriechparametern, die sowohl Diffusions-als auch Dislokationskriechen in den obersten 300km einschließen. Zuerst untersuche ich den Einfluss der Intra-Platten-Reibung und der asthenosphärischen Viskosität auf heutige Plattenbewegungen. Bisherige Modellierungsstudien haben vorgeschlagen, dass kleine Reibungskoeffizienten ( u < 0,1, FlieSSspannung ~ 100 MPa) zu Plattentektonik in Modellen der Mantelkonvektion führen können. Hier zeigen wir, dass der Reibungsparameter, um den heutigen Plattenbewegungen und der Netto-Rotation zu entsprechen, kleiner als 0,05 sein muss. Wir können eine gute Übereinstimmung mit der Größe und Orientierung der beobachteten Plattengeschwindigkeiten (NUVEL-1A) in einem No-Net- Rotation- (NNR) Bezug system mit < 0,04 und minimaler Asthenosphärenviskosität ~ 510^19 Pas bis 10^20 Pas erreichen. Unsere Schätzungen der Netto-Rotation (NR) der Lithosphäre deuten darauf hin, dass Amplituden ~ 0:1 - 0:2 (◦/Ma), ähnlich den meisten Beobachtungs-basierten Schätzungen, mit Asthenosphären- Viskositäts-Cutoff-Werten von ~ 10^19 Pas bis 5 10^19 Pas und Reibungskoeffizient u < 0,05 erreicht werden können. Der zweite Teil der Studie untersucht weitere Einschränkungen auf flache und tiefe Mantelheterogenitäten, welche Plattenbewegungen verursachen, durch die Vorhersage des Lithosphärenspannungsfeldes und der Topographie und deren Validierung mit Beobachtungen. Lithosphärenspannungen und dynamische Topographie werden mit dem Modellaufbau und den rheologischen Parametern für vorgeschriebene Plattenbewegungen berechnet.Wir validieren unsere Ergebnisse mit der Weltspannungskarte 2016 (WSM2016) und der beobachteten Residualtopographie. Hier haben wir eine Anzahl von thermischen Dichte-Strukturen für den oberen Mantel getestet. Diejenige, die verwendet wurde, um Plattenbewegungen zu berechnen, wird als Referenz- thermische Dichte-Struktur betrachtet. Dieses Modell ist abgeleitet aus einem Wärmestrommodell, kombiniert mit einem Ozeanbodenalter-Modell. Darüber hinaus haben wir drei verschiedene thermische Dichtestrukturen abgeleitet aus globalen S-Wellengeschwindigkeits modellen verwendet, um den Einfluss von Heterogenitäten der lateralen Dichte in den oberen 300 km auf Modellvorhersagen zu zeigen. Ein großer Teil der gesamten dynamischen Kraft, die Spannungen in der Kruste / Lithosphäre erzeugt, hat ihren Ursprung im tiefen Mantel, während die Topographie weitgehend durch flache Heterogenitäten beeinflusst wird. Zum Beispiel gibt es kaum einen Unterschied zwischen den Spannungsorientierungsmustern, die mit und ohne Berücksichtigung der Heterogenitäten in der Dichtestruktur des oberen Mantels in Nordamerika, Australien und Nordafrika vorhergesagt wurden. Allerdings dominiert die Kruste in Gebieten von großer Höhe für die Spannungorientierung im Vergleich zu allen tiefen Mantelbeiträgen. Diese Studieerforschen die Empfindlichkeit aller betrachteten Oberflächen-Observablen in Bezug auf Modellparameter und gibt Einblicke über den Einfluss der Asthenosphäre und Plattengrenzen-Rheologie auf Plattenbewegung, wobei wir verschiedene thermische Dichte Strukturen zur Vorhersage von Spannungen und Topographie testen.…