Quaternary subsidence in South-Est Asia : from mantle dynamics to atmospheric circulation - Geomorphologic, geodynamic and climate modeling - PhDData

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Quaternary subsidence in South-Est Asia : from mantle dynamics to atmospheric circulation – Geomorphologic, geodynamic and climate modeling

The thesis was published by Sarr, Anta-Clarisse, in December 2018, Université Grenoble Alpes.

Abstract:

Dynamic topography modulates the extension of inundated areas, at places where elevation is near sea level, by deflecting the surface of the Earth. This phenomenon produces large-scale paleogeography changes, which in turn modify external spheres (atmo-, hydro- and biosphere) by subsequent alteration of atmospheric and oceanic circulations and biodiversity. This inter-disciplinary work illustrates the connection string between Earth mantle dynamics and climate through the study of Quaternary evolution of South East Asia. The insularity of the region and the presence of low bathymetry seas, as the Java sea, enable fast and efficient modifications of land-sea mask and make it an ideal case for studying the connection between geodynamics and climate. Mantle flow, excited by the numerous subduction zones, is vigorously stirred and contributes to surface deformation. In this region, climate dynamics is also tightly related to the peculiar geography of the Indonesian archipelago. Paleogeographic changes are first revealed by coastal morphologies. They show the contrasted pattern of large-scale Quaternary deformation that underlines general uplift within the central-eastern part of the region, namely Wallacea, whereas the continental shelves, to the West and Southeast, are more likely subsiding. The combination of field observations with numerical modeling of coral reef growth is used to quantify vertical deformation. Our method is based on reef morphology (terrace number, depth, modern reef length) that we observed on the Sunda shelf (Western South East Asia) and reef morphologies obtained by numerical modeling, and enable an original quantification of subsidence rates of the platform. The results imply that Sundaland region was entirely and permanently emerged before 400 000 yr and formed at this time a unique continental mass between West Indonesian islands and continental Asia. The causes of paleogeographic changes are explored using modeling of regional geodynamics. A three-dimension subduction numerical model was devised to simulate the dynamical origin of deformation. This model analysis enables us to describe the spatio-temporal evolution of the deformation above a subduction zone in case of perturbation induced by the arrival at the trench of a continental block or oceanic plateau, a simplified case that is similar to SE Asia. Our results show that during a collisional episode, slab tearing generated by the arrival of light material unable to subduct is responsible for changes in mantle convection. Those changes are responsible for dynamic subsidence that followed an uplift event related to the first stages of collision. Inferred deformation rates have an range of magnitude similar to both measured and modeled rates at regional scale. The consequences of paleogeographic changes are studied using general circulation model simulations. Results show that the presence of an emerged Sunda shelf leads to a seasonal increase in precipitation over the Maritime Continent. This increase is related to seasonal increase in large-scale convergence induced by thermal heating of exposed land surfaces, a situation that, as we show, occurred before 400 ka. Sunda shelf exposure is also responsible for changes in horizontal water transport within the Makassar strait that modify sea surface salinities and temperatures at local scale. Our analysis further shows that increased precipitation seasonality is independent on model convection and cloud parameterization

En dĂ©flĂ©chissant la Terre, la topographie dynamique module l’extension des zones inondĂ©es dans les rĂ©gions oĂą l’altitude est proche du niveau marin. Ce phĂ©nomène contribue ainsi Ă  modifier la palĂ©ogĂ©ographie Ă  grande Ă©chelle et ont un impact sur les sphères externes (atmo-, hydro- et bio-sphère) en altĂ©rant notamment les circulations atmosphĂ©riques et ocĂ©aniques. Ces travaux de thèse, qui s’appuient sur une approche interdisciplinaire, illustrent la chaĂ®ne de connections entre dynamique mantellique et climat Ă  travers l’Ă©tude de l’Ă©volution Quaternaire du Continent Maritime. Le caractère insulaire de la rĂ©gion et la prĂ©sence de mers peu profondes comme la mer de Java, permettent des modifications rapides de la rĂ©partition terre-ocĂ©an Ă  grande Ă©chelle, et en font un cas idĂ©al pour Ă©tudier les connections entre gĂ©odynamique et climat. D’autre part, la dynamique mantellique, excitĂ©e par les nombreuses subductions, y est très active et contribue Ă  dĂ©former la surface et la dynamique climatique rĂ©gionale est Ă©troitement associĂ©e Ă  la gĂ©ographie particulière de l’archipel IndonĂ©sien.Les changements palĂ©ogĂ©ographiques sont d’abord rĂ©vĂ©lĂ©s par la cartographie des morphologies cĂ´tières. Celle-ci souligne la rĂ©partition contrastĂ©e de la dĂ©formation Quaternaire en soulignant le soulèvement gĂ©nĂ©ral de la rĂ©gion centrale (Wallacea), alors que les deux plateformes continentales localisĂ©es Ă  l’Ouest et au Sud-Est subsident. L’utilisation combinĂ©e des observations et de la modĂ©lisation de la croissance des rĂ©cifs coralliens est utilisĂ©e afin de quantifier la vitesse verticale de dĂ©formation. Notre mĂ©thode est basĂ©e sur la comparaison entre la morphologie des rĂ©cifs observĂ©s sur la plateforme de la Sonde, Ă  l’ouest de l’Asie du Sud-Est, et les morphologies rĂ©cifales issues des simulations numĂ©riques et permet une quantification inĂ©dite de la vitesse de subsidence de la plateforme. Les rĂ©sultats suggèrent que la Sonde Ă©tait Ă©mergĂ©e de manière permanente avant 400 000 ans, formant une masse continentale entre les Ă®les de l’Ouest IndonĂ©sien et le continent asiatique. Les causes de ces changements palĂ©ogĂ©ographiques sont apprĂ©hendĂ©es Ă  l’aide de la modĂ©lisation mĂ©canique de la gĂ©odynamique. Un modèle numĂ©rique en trois dimensions d’une zone de subduction a Ă©tĂ© utilisĂ© afin de d’explorer les causes dynamiques de la dĂ©formation. L’analyse des simulations permet de dĂ©crire l’Ă©volution spatio-temporelle de la dĂ©formation Ă  l’aplomb d’une zone de subduction, lors d’une perturbation provoquĂ©e par l’arrivĂ©e dans la fosse d’un bloc continental ou d’un plateau ocĂ©anique, un cas simplifiĂ© similaire Ă  l’Asie du Sud-Est. Les rĂ©sultats montrent que lors d’un Ă©pisode de collision, l’initiation d’une dĂ©chirure dans la plaque en subduction gĂ©nĂ©rĂ©e par l’entrĂ©e dans la fosse de matĂ©riel peu dense entraĂ®ne une modification de l’Ă©coulement mantellique. Cette modification provoque un Ă©pisode de subsidence dynamique qui fait suite Ă  un Ă©pisode de surrection provoquĂ©e par la collision. Les vitesses de dĂ©formations calculĂ©es ont un ordre de grandeur comparable aux vitesses de dĂ©formations enregistrĂ©es et modĂ©lisĂ©es Ă  l’Ă©chelle rĂ©gionale. Les consĂ©quences des changements palĂ©ogĂ©ographiques sont apprĂ©hendĂ©es Ă  l’aide d’un modèle du climat IPSL-CM5A2. Les rĂ©sultats montrent que la prĂ©sence d’une plateforme de la Sonde Ă©mergĂ©e provoque une augmentation saisonnière des prĂ©cipitations sur le Continent Maritime. Cette augmentation est engendrĂ©e par une intensification de la convergence Ă  l’Ă©chelle rĂ©gionale contrĂ´lĂ©e par le chauffage radiatif des surfaces continentales exposĂ©es. L’exposition de la plateforme de la Sonde engendre Ă©galement une modification du transport dans le dĂ©troit de Makassar avec un impact local sur la salinitĂ© et les tempĂ©ratures de surface de l’ocĂ©an. Nos analyses montrent par ailleurs que l’augmentation de la saisonnalitĂ© des prĂ©cipitations est indĂ©pendante de la paramĂ©trisation de la convection et des nuages dans le modèle.



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