On the dynamics of subduction and the effect of subduction zones on mantle convection

par Gianluca Gerardi

Thèse de doctorat en Structure et évolution de la terre et des autres planètes

Sous la direction de Neil Ribe et de Anne Davaille.

Le président du jury était Stéphane Labrosse.

Le jury était composé de Neil Ribe, Anne Davaille, Stéphane Labrosse, Clint Conrad, Taras V. Gerya, Boris Kaus, Damir Juric.

Les rapporteurs étaient Stéphane Labrosse, Clint Conrad.

  • Titre traduit

    Sur la dynamique de la subduction et l’effet des zones de subduction sur la convection du manteau


  • Résumé

    La subduction est une des principales expressions superficielles de la convection mantellique et représente un ingrédient crucial de la géodynamique globale. Cela affecte différents processus de la Terre comme la génération des méga-tremblements de terre et des volcans explosifs sur la surface ou le recyclage des espèces volatiles dans l’intérieur profond. Malgré son importance, plusieurs aspects de la subduction restent à clarifier.Dans ce travail, nous avons étudié la mécanique et l’énergétique du phénomène en adoptant un modèle numérique 2-D de “subduction libre”, basé sur la méthode des éléments frontière. En interprétant systématiquement nos solutions numériques utilisant la théorie des couches minces visqueuses, nous avons déterminé diverses lois d’échelle décrivant les mécanismes physiques sous-jacents aux différents aspects du phénomène. Deux paramètres adimensionnels se distinguent par leur récurrence dans ces lois d’échelle: i) la résistance (adimensionelle) de l’interface de subduction, qui contrôle la contrainte de cisaillement agissant à l’interface entre les deux plaques et ii) la rigidité de la plaque en subduction, qui décrit la résistance mécanique opposée par cette plaque à la flexion. Ce dernier paramètre est particulièrement important, car il met en évidence l’échelle de longueur qui décrit correctement la déformation en flexion de la plaque en subduction (bending length).En ce qui concerne les aspects énergétiques de la subduction, nous avons également étudié l’effet de la dissipation de l’énergie produite dans les zones de subduction sur la convection du manteau à grande échelle. Nos résultats semblent suggérer que la loi d’échelle classique trouvée dans l’étude de la convection de Rayleigh-Bénard en régime permanent d’une couche de fluide isovisqueux reste généralement valable aussi pour la convection du manteau terrestre.Pour conclure, nous avons mis en place une expérience de convection basée sur le séchage d’une suspension colloidale de nanoparticules de silice. Comme les résultats préliminaires ont montré, grâce à sa rhéologie particulière, ce matériau semble être un candidat prometteur pour la modélisation de la convection mantellique en laboratoire.


  • Résumé

    Subduction is one of the principal surface expressions of mantle convection and it represents a key ingredient of global geodynamics. It affects Earth processes ranging from the generation of mega-earthquakes and explosive volcanoes at thesurface to the recycling of volatile species back into the deep interior. Yet despite its obvious importance, several aspects of subduction remain to be clarified.In this work we endeavored to shed light on the mechanics and the energetics of the phenomenon adopting of a 2-D numerical model of “free subduction” based on the Boundary-Element Method. Systematically interpreting our numerical solutions in the light of thin viscous-sheet theory, we determined various scaling laws describing the physical mechanisms underlying different aspects of the phenomenon. Two dimensionless parameters stand out for their recurrence in suchscaling laws: i) the (dimensionless) strength of the subduction interface, which controls the shear stress acting at the interface between the two plates and ii) the flexural stiffnes of the subducting plate, which describes the mechanical resistance opposed by such plate to bending. This latter parameter is particularly important as it highlights the length scale that properly describes the bending deformation of the subducting plate (bending length).For what concerns the energetics of subduction, we also investigated the effect of the dissipation of energy occurring at subduction zones on large-scale mantleconvection. Our results seem to suggest that the classical scaling law found in the study of the steady-state Rayleigh-Bénard convection of an isoviscous fluid layer remains generally valid also for Earth’s mantle convection.To conclude, we ran a convection experiment based on the drying of a colloidal suspension of silica nanoparticles. As preliminary results have shown, thanksto its particular rheology, this material seems to be a promising candidate for effective laboratory modeling of mantle convection.


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