The effects of the overriding plate thermal state on the slab dip in an ocean-continent subduction system

To evaluate the effects of variations in the thermal state of the overriding plate on the slab dip in an ocean-continent subduction system, a 2-D finite element thermomechanical model was implemented. The lithosphere base was located at the depth of the 1600 K isotherm. Numerical simulations were performed while taking into account four different initial thicknesses for the oceanic lithosphere (60, 80, 95 and 110 km) and five different thicknesses of the overriding plate, as compared in terms of the continental-oceanic plate thickness ratio (100, 120, 140, 160 and 200% of the oceanic lithosphere thickness). The results of numerical modeling indicate that a high variability of the subducting plate geometry occurs for an oceanic lithosphere thickness ranging from 60 to 80 km, while the variability decreases where the oceanic plates are thicker (95 and 110 km). Furthermore, the slab dip strongly depends on the thermal state of the overriding plate and, in particular, the slab dip decreases with the increase in the upper plate thickness. The model predictions also confirm that a direct correlation between the slab dip and the age of the oceanic lithosphere does not exist, at least for subduction plates thinner that 110 km. These conclusions are supported by the good agreement between the model results and the natural data referring to worldwide ocean-continent subduction zones.

RésuméPour évaluer les effets des variations du régime thermique de la plaque chevauchante sur le pendage de la subduction, dans un système de subduction océan-continent, un modèle thermo-mécanique 2-D en éléments finis a été mis en œuvre. La base de la lithosphère était localisée à la profondeur de l’isotherme 1600 K. Les simulations numériques ont été réalisées en tenant compte de quatre profondeurs initiales différentes pour la lithosphère océanique (60, 80, 95 et 110 km) et cinq épaisseurs différentes pour la plaque chevauchante, comparées en termes de rapport d’épaisseur des plaques continent-océan (100, 120, 140, 160 et 200 % de l’épaisseur de la plaque océanique). Les résultats de la modélisation numérique indiquent qu’une grande variabilité de la géométrie de la plaque en subduction s’observe pour une épaisseur de la lithosphère océanique comprise entre 60 et 80 km, tandis que cette variabilité décroît quand les plaques océaniques sont plus épaisses (95 et 110 km). En outre, le pendage de la subduction dépend beaucoup du régime thermique de la plaque chevauchante et, en particulier, le pendage décroît en fonction de l’accroissement de l’épaisseur de la plaque supérieure. Les prédictions du modèle confirment également qu’il n’existe pas de corrélation directe entre le pendage de la plaque plongeante et l’âge de la lithosphère océanique, au moins pour les plaques de subduction plus minces que 110 km. Ces conclusions sont corroborées par le bon accord entre les résultats du modèle et les données naturelles se référant aux zones de subduction océan-continent de par le monde.