Published July 13, 2021 | Version v1
Publication Open

An effective parameterization of texture-induced viscous anisotropy in orthotropic materials with application for modeling geodynamical flows

  • 1. Institute of Physics Rosario
  • 2. Observatoire de la Côte d'Azur
  • 3. Université Côte d'Azur
  • 4. Géosciences Montpellier

Description

In this article, we describe the mathematical formulation and the numerical implementation of an effective parametrization of the viscous anisotropy of orthorhombic materials produced by crystallographic preferred orientations (CPO or texture), which can be integrated into 3D geodynamic and materials science codes. Here, the approach is applied to characterize the texture-induced viscous anisotropy of olivine polycrystals, the main constituent of the Earth's upper mantle. The parameterization is based on the Hill (1948) orthotropic yield criterion. The coefficients of the Hill yield surface are calibrated based on numerical tests performed using the second order Viscoplastic Self-consistent (SO-VPSC) model. The parametrization was implemented in a 3D thermo-mechanical finite-element code developed to model large-scale geodynamical flows, in the form of a Maxwell rheology combining isotropic elastic and anisotropic non-linear viscous behaviors. The implementation was validated by comparison with results of the analytical solution and of the SO-VPSC model for simple shear and axial compression of a homogeneous anisotropic material. An application designed to examine the effect of texture-induced viscous anisotropy on the reactivation of mantle shear zones in continental plates highlights unexpected couplings between localized deformation controlled by variations in the orientation and intensity of the olivine texture in the mantle and the mechanical behavior of the elasto-viscoplastic overlying crust. Importantly, the computational time only increases by a factor 2-3 with respect to the classic isotropic Maxwell viscoelastic rheology.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

في هذه المقالة، نصف الصياغة الرياضية والتنفيذ العددي للمعلمات الفعالة للتباين اللزج للمواد المعينية التي تنتجها التوجهات المفضلة البلورية (CPO أو الملمس)، والتي يمكن دمجها في الرموز الجيوديناميكية ثلاثية الأبعاد وعلوم المواد. هنا، يتم تطبيق النهج لتوصيف تباين الخواص اللزج الناجم عن الملمس للبلورات الزيتونية، المكون الرئيسي للوشاح العلوي للأرض. يعتمد تحديد المعلمات على معيار العائد المتعامد للتل (1948). تتم معايرة معاملات سطح خضوع التل بناءً على الاختبارات العددية التي يتم إجراؤها باستخدام نموذج اللزوجة ذاتية الاتساق من الدرجة الثانية (SO - VPSC). تم تنفيذ البارامتريز في رمز عنصر محدود حراري ميكانيكي ثلاثي الأبعاد تم تطويره لنمذجة التدفقات الجيوديناميكية واسعة النطاق، في شكل انسيابية ماكسويل تجمع بين السلوكيات اللزجة غير الخطية متباينة الخواص وغير متباينة الخواص. تم التحقق من صحة التنفيذ بالمقارنة مع نتائج الحل التحليلي ونموذج SO - VPSC للقص البسيط والضغط المحوري لمادة متباينة الخواص متجانسة. يسلط تطبيق مصمم لفحص تأثير تباين الخواص اللزج الناجم عن النسيج على إعادة تنشيط مناطق قص الوشاح في الصفائح القارية الضوء على الاقتران غير المتوقع بين التشوه الموضعي الذي تتحكم فيه الاختلافات في اتجاه وشدة نسيج الزيتون في الوشاح والسلوك الميكانيكي للقشرة اللزجة المرنة. الأهم من ذلك، أن الوقت الحسابي يزيد فقط بعامل 2-3 فيما يتعلق بانسيابية ماكسويل اللزجة المرنة الكلاسيكية متماثلة الخواص.

Translated Description (French)

Dans cet article, nous décrivons la formulation mathématique et la mise en œuvre numérique d'une paramétrisation efficace de l'anisotropie visqueuse des matériaux orthorhombiques produits par des orientations préférentielles cristallographiques (CPO ou texture), qui peuvent être intégrées dans des codes de géodynamique 3D et de science des matériaux. Ici, l'approche est appliquée pour caractériser l'anisotropie visqueuse induite par la texture des polycristaux d'olivine, le principal constituant du manteau supérieur de la Terre. Le paramétrage est basé sur le critère de rendement orthotrope de Hill (1948). Les coefficients de la surface de rendement Hill sont étalonnés sur la base de tests numériques effectués à l'aide du modèle autocohérent viscoplastique du deuxième ordre (SO-VPSC). La paramétrisation a été mise en œuvre dans un code thermo-mécanique 3D à éléments finis développé pour modéliser des écoulements géodynamiques à grande échelle, sous la forme d'une rhéologie de Maxwell combinant des comportements élastiques isotropes et visqueux non linéaires anisotropes. La mise en œuvre a été validée par comparaison avec les résultats de la solution analytique et du modèle SO-VPSC pour le cisaillement simple et la compression axiale d'un matériau anisotrope homogène. Une application conçue pour examiner l'effet de l'anisotropie visqueuse induite par la texture sur la réactivation des zones de cisaillement du manteau dans les plaques continentales met en évidence des couplages inattendus entre la déformation localisée contrôlée par les variations d'orientation et d'intensité de la texture olivine dans le manteau et le comportement mécanique de la croûte sus-jacente élasto-viscoplastique. Il est important de noter que le temps de calcul n'augmente que d'un facteur 2-3 par rapport à la rhéologie viscoélastique isotrope classique de Maxwell.

Translated Description (Spanish)

En este artículo, describimos la formulación matemática y la implementación numérica de una parametrización efectiva de la anisotropía viscosa de materiales ortorrómbicos producidos por orientaciones cristalográficas preferidas (CPO o textura), que pueden integrarse en códigos geodinámicos 3D y de ciencia de materiales. Aquí, el enfoque se aplica para caracterizar la anisotropía viscosa inducida por la textura de los policristales de olivino, el principal constituyente del manto superior de la Tierra. La parametrización se basa en el criterio de rendimiento ortotrópico de Hill (1948). Los coeficientes de la superficie de fluencia de Hill se calibran en función de las pruebas numéricas realizadas utilizando el modelo autoconsistente viscoplástico de segundo orden (SO-VPSC). La parametrización se implementó en un código de elementos finitos termomecánicos 3D desarrollado para modelar flujos geodinámicos a gran escala, en forma de una reología de Maxwell que combina comportamientos elásticos isotrópicos y viscosos no lineales anisotrópicos. La implementación se validó mediante comparación con los resultados de la solución analítica y del modelo SO-VPSC para cizallamiento simple y compresión axial de un material anisotrópico homogéneo. Una aplicación diseñada para examinar el efecto de la anisotropía viscosa inducida por la textura en la reactivación de las zonas de cizallamiento del manto en las placas continentales destaca los acoplamientos inesperados entre la deformación localizada controlada por las variaciones en la orientación y la intensidad de la textura olivina en el manto y el comportamiento mecánico de la corteza superpuesta elasto-viscoplástica. Es importante destacar que el tiempo de cálculo solo aumenta en un factor de 2-3 con respecto a la reología viscoelástica isotrópica clásica de Maxwell.

Files

pdf.pdf

Files (1.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:30f07b329e31ee5c9d445054944461a8
1.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
وضع معايير فعالة لتباين الخواص اللزج الناجم عن الملمس في المواد المنتظمة مع تطبيق لنمذجة التدفقات الجيوديناميكية
Translated title (French)
Un paramétrage efficace de l'anisotropie visqueuse induite par la texture dans les matériaux orthotropes avec une application pour la modélisation des écoulements géodynamiques
Translated title (Spanish)
Una parametrización efectiva de la anisotropía viscosa inducida por textura en materiales ortotrópicos con aplicación para modelar flujos geodinámicos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3183257525
DOI
10.46298/jtcam.6737

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1455883743
  • https://openalex.org/W1565906996
  • https://openalex.org/W1599507010
  • https://openalex.org/W1662885656
  • https://openalex.org/W1971450949
  • https://openalex.org/W1972445448
  • https://openalex.org/W1983358090
  • https://openalex.org/W1987194631
  • https://openalex.org/W1991824779
  • https://openalex.org/W1993614960
  • https://openalex.org/W1998107551
  • https://openalex.org/W2000413525
  • https://openalex.org/W2003554037
  • https://openalex.org/W2013360601
  • https://openalex.org/W2014231068
  • https://openalex.org/W2017588800
  • https://openalex.org/W2019519379
  • https://openalex.org/W2033965355
  • https://openalex.org/W2058318380
  • https://openalex.org/W2059643182
  • https://openalex.org/W2060489052
  • https://openalex.org/W2060847583
  • https://openalex.org/W2061742113
  • https://openalex.org/W2065994278
  • https://openalex.org/W2070119453
  • https://openalex.org/W2073409632
  • https://openalex.org/W2078954190
  • https://openalex.org/W2082454631
  • https://openalex.org/W2086998939
  • https://openalex.org/W2087031190
  • https://openalex.org/W2092411745
  • https://openalex.org/W2104252941
  • https://openalex.org/W2115980374
  • https://openalex.org/W2121135329
  • https://openalex.org/W2129002842
  • https://openalex.org/W2161111887
  • https://openalex.org/W2621506256
  • https://openalex.org/W2901500549
  • https://openalex.org/W3080476488
  • https://openalex.org/W3176245351