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

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.

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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.

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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.

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Notation a thermal expansion coefficient - C_p specific heat capacity - Di dissipation number (model specific) - g gravity acceleration - dynamic viscosity - h heigth of model - 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 - stream function - z vertical coordinate