Constraining Earth’s nonlinear mantle viscosity using plate-boundary resolving global inversions

地球物理学 地幔(地质学) 板块构造 非线性系统 土(古典元素) 地质学 粘度 物理 地震学 热力学 数学物理 量子力学 构造学
作者
Jiashun Hu,Johann Rudi,Michael Gurnis,Georg Stadler
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (28)
标识
DOI:10.1073/pnas.2318706121
摘要

Variable viscosity in Earth's mantle exerts a fundamental control on mantle convection and plate tectonics, yet rigorously constraining the underlying parameters has remained a challenge. Inverse methods have not been sufficiently robust to handle the severe viscosity gradients and nonlinearities (arising from dislocation creep and plastic failure) while simultaneously resolving the megathrust and bending slabs globally. Using global plate motions as constraints, we overcome these challenges by combining a scalable nonlinear Stokes solver that resolves the key tectonic features with an adjoint-based Bayesian approach. Assuming plate cooling, variations in the thickness of continental lithosphere, slabs, and broad scale lower mantle structure as well as a constant grain size through the bulk of the upper mantle, a good fit to global plate motions is found with a nonlinear upper mantle stress exponent of 2.43 [Formula: see text] 0.25 (mean [Formula: see text] SD). A relatively low yield stress of 151 [Formula: see text] 19 MPa is required for slabs to bend during subduction and transmit a slab pull that generates asymmetrical subduction. The recovered long-term strength of megathrusts (plate interfaces) varies between different subduction zones, with South America having a larger strength and Vanuatu and Central America having lower values with important implications for the stresses driving megathrust earthquakes.
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