On the ascent and emplacement of granitoid magma bodies dynamic-thermal numerical models

Zusammenfassung

Die Intrusion granitoider Magmen ist ein Prozeß der unteren und mittleren Kruste. Feldbefunde und Laboruntersuchungen geben Hinweise darauf, daß die meisten granitoiden Plutone durch diapirischen Aufstieg und Platznahme ausgedehnter Magmenkörper entstehen.

Auf dieser Grundlage werden der Aufstieg und die Platznahme granitoider Magmen mit Hilfe von zweidimensionalen Finite Elemente Rechnungen modelliert. Das physikalische Konzept beinhaltet den konvektiven Transport von Masse und Energie, eine isolierte finite Quellregion, veränderliche Quelltemperaturen sowie einen variablen Dichte- und Viskositätskontrast.

Die Modellrechnungen zeigen, daß die strukturelle Entwicklung der Modellmagmenkörper in hohem Maße von den physikalischen Parametern des Magmas und seiner Umgebung, vor allem Dichte und Viskosität, abhängt. Gemäß den unterschiedlichen Anfangsbedingungen können sowohl einige stockförmige Plutone im Falle eines hohen Viskositätskontrastes oder flacher Magmaquellen als auch deckenförmige Intrusionsstrukturen als Folge eines geringen Viskositätskontrastes mit Hilfe des intrusiven Einlagerungskonzeptes verstanden werden. Die Erhöhung des negativen Dichtekontrastes führt zu einer Erhöhung der Aufstiegsrate, so daß fortgeschrittenere Platznahmestrukturen erreicht werden können.

Abstract

The intrusion of granitoid magmas is understood as a lower and mid crustal process. Field observations and laboratory experiments give strong reason that most granitoid plutons are formed by diapiric ascent and emplacement of large magma bodies.

On this basis, the ascent and emplacement of granitoid magmas is modelled by two-dimensional finite element calculations. The physical concept for this process provides convective transport of matter and heat, an isolated finite source region, variable source temperatures as well as variable density and viscosity contrasts.

The model calculations show that the structural development of the model intrusion bodies is highly dependent on the physical properties of the magma and its surroundings. The most important among them are density and viscosity. Due to the different initial conditions, stocks of several plutons in the case of high viscosity contrast or flat magma sources as well as nappe-shaped intrusion structures as a result of low viscosity contrast can be understood by the intrusive mode of emplacement. The enlargement of the negative density contrast leads to an increase of the rate of ascent, so that more advanced intrusion structures are developed.

Résumé

L'intrusion des magmas granitoïdes est un processus qui intéresse la croûte inférieure et moyenne. Les observations de terrain et les expériences en laboratoire fournissent des arguments très sérieux en faveur de la formation des plutons par montée diapirique et mise en place de corps magmatiques de grandes dimensions.

Sur base de cette conception, la montée et la mise en place de magmas granitoïdes a fait l'objet d'une modélisation par éléments finis à deux dimensions. Un tel modèle fait appel à un transport convectif de matière et de chaleur, à une région-source isolée de dimension finie, à une source de température variable ainsi qu' à divers contrastes de densité et de viscosité.

Les calculs montrent que le développement structural des corps intrusifs ainsi modélisés dépend essentiellement des propriétés physiques du magma et de son encaissant, en particulier de la densité et de la viscosité. Etant données diverses conditions initiales, la modélisation rend compte de plusieurs types de culots plutoniques dans le cas de contrastes de viscosité élevés ou de sources de magma d'extension horizontale, ainsi que d'intrusions en forme de nappe dans le cas de faibles contrastes de viscosité. L'accroissement des contrastes de viscosité négatifs contribue à augmenter la vitesse d'ascension, ce qui permet le développement de structures d'intrusion plus évoluées.

Краткое содержание

Интрузии гранитоидн ой магмы — процесс, про текающий в нижних и средних отд елах коры. Работы в полевых условиях и да нные лабораторных ис следований указывают на то, что бо льшинство гранитоид ных плутонов образовало сь в результате диапи рового поднятия и внедрения расширяющихся магма тических тел.

На основании этих дан ных с помошью двумерн ого метода провели рассч еты модели поднятия и внедрения гранитоидных масс. На основании физически х представлений прини мали во внимание след ующие параметры: конвекция массы и энергии, выдел ение конечной области ист очника, изменения тем пературы его и колебания плотн ости и вязкости в расп лаве.

С помощью этих моделе й удалось отметить, чт о структурное развити е магматических тел в высшей степени зависит от вы ше названных парамет ров и, в особенности, от плотн ости и вязкости. В зави симости от различия исходных условий могут появля ться как штокообразные плуто ны, или плоские источн ики магм в случае больших различий вязкости, та к и покровные структуры интрузий в результат е ее незначительных изменений. Повышение отрицательного различия в плотности приводит к повышению скорости поднятия расплавов и тогда появляются уве личения объема магм.

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Abbreviations

a :

thermal expansion coefficient

Cp :

specific heat capacity

Di:

dissipation number (model specific)

g:

gravity acceleration

η :

dynamic viscosity

h:

heigth of model

χ :

thermal diffusivity

Q:

heat flow

Ra:

Rayleigh number

R(v):

differential operator

p :

density

t:

time

T:

absolute temperature

v:

velocity

V:

volume

w:

vertical component of velocity

x:

horizontal coordinate

Ψ:

stream function

z:

vertical coordinate

References

  1. Arzi, A. A. (1978): Critical phenomena in the rheology of partially melted rocks. - Tectonophysics,44, 173–185.

    Google Scholar 

  2. Bateman, R. (1984): On the role of diapirism in the segregation, ascent and final emplacement of granitoid magmas.- Tectonophysics,110, 211–231.

    Google Scholar 

  3. — (1985): Progressive crystallization of a granitoid diapir and its relationship to stages of emplacement.- J. Geol.,93, 645–662.

    Google Scholar 

  4. Castro, A. (1987): On granitoid emplacement and related structures. - Geol. Rundschau,76, 101–124.

    Google Scholar 

  5. Christensen, U. (1980): Numerische Modelle zur Konvektion im Erdmantel mit verschiedenen Eindringtiefen. - Dissertation, TU Braunschweig, 151 pp.

  6. Frost, C. D. &R. K. O'Nions (1985): Caledonian magma genesis and crustal recycling. - J. Petrol.,26, 515–544.

    Google Scholar 

  7. Hutton, D. H. W. (1982): A tectonic model for the emplacement of the Main Donegal Granite, NW Ireland. - J. Geol. Soc. Lond.,139, 615–631.

    Google Scholar 

  8. Johannes, W. (1983): Metastable melting in granite and related systems. - In: Migmatites, Melting and Metamorphism, eds. M. P. Atherton & C. D. Gribble, pp. 27–36, Shiva, Orpington.

    Google Scholar 

  9. Kirby, S. H. (1980): Tectonic stresses in the lithosphere: Constraints provided by the experimental deformation of rocks.- J. Geophys. Res.,85B, 6353–6363.

    Google Scholar 

  10. Kukowski, N. (1988): Granittektonik — Feldbefunde und numerische Experimente. - Thesis, TU Clausthal, 110 pp., (unpubl.)

  11. — &H. J. Neugebauer (1987): An intrusive model for granitic batholiths. - Terra cognita,7, 141.

    Google Scholar 

  12. Landolt-Börnstein (1984): Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group V, Geophysics and Space Research, Vol. 1: Physical properties of Rocks, Subvol. a, ed. G. Angenheister, Springer, Berlin.

    Google Scholar 

  13. Maaløe, S. &P. J. Wyllie (1975): Water content of a granite magma deduced from the sequence of crystallization determined experimentally with waterundersaturated conditions. - Contrib. Mineral. Petrol.,52, 175–191.

    Google Scholar 

  14. Mahon, K. I. et al. (1988): Ascent of a granitoid diapir in temperature varying medium. - J. Geophys. Res.,93, 1174–1188.

    Google Scholar 

  15. Matthes, S. (1986): Mineralogie. - Springer, 444 pp.

  16. Neugebauer, H. J. &C. Reuther (1987): Intrusion of igneous rocks — physical aspects. - Geol. Rundschau,76/1, 89–100.

    Google Scholar 

  17. Pitcher, W. S. (1978): The nature, ascent and emplacement of granitic magmas. - Geol. Soc. Lond.,136, 627–662.

    Google Scholar 

  18. — (1983): Granite type and tectonic environment. - In: Hsü, K. J. (ed.), Mountain Building Processes, Academic Press, London, pp. 19–40.

    Google Scholar 

  19. Ramberg, H. (1981): Gravity, Deformation and the Earth's Crust. - Academic Press, London, 2nd ed., 452 pp.

    Google Scholar 

  20. Ranalli, G. (1987): Rheology of the Earth. - Allen & Unwin, 366 pp.

  21. Turcotte, D. L. & G.Schubert (1982): Geodynamics. Wiley, 451 pp.

  22. Vigneresse, J.-L. (1988): Forme et volume des plutons granitiques. - Bull. Soc. Géol. France,8, 897–906.

    Google Scholar 

  23. White, A. J. R. et al. (1974): Geologic setting and emplacement of some Australian Paleozoic batholiths and implications for intrusive mechanisms. - Pac. Geol.,8, 159–171.

    Google Scholar 

  24. Wyllie, P. J. (1983a): Experimental and thermal constraints on the deep-seated parentage of some granitoid magmas in subduction zones. - In: Migmatites, Melting and Metamorphism, Atherton, M. P. & C. D. Gribble (eds.), Shiva, Orpington, pp. 37–51.

    Google Scholar 

  25. — (1983b): Experimental studies on biotite- and muscovitegranite and some crustal magmatic sources. - In: Migmatites, Melting and Metamorphism, Atherton, M. P. & C. D. Gribble (eds.), Shiva, Orpington, pp. 12–26.

    Google Scholar 

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Kukowski, N., Neugebauer, H.J. On the ascent and emplacement of granitoid magma bodies dynamic-thermal numerical models. Geol Rundsch 79, 227–239 (1990). https://doi.org/10.1007/BF01830622

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Keywords

  • Magma Body
  • Granitoid Magma
  • Intrusion Granitoider
  • Granitoid Pluton
  • Viscosity Contrast