Convection thermo-solutale dans les océans de magma

par Thibaut Clarte (Clarté)

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Nathanael Schaeffer et de Stéphane Labrosse.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 29-11-2018 .


  • Résumé

    La formation des planètes telluriques (Terre, Vénus, Mars, Mercure) s'est terminée par une phase d'impacts géants entre des embryons planétaires. Dans le cas de la Terre, le dernier de ces impacts géants est généralement supposé comme étant à l'origine de la formation de la Lune. L'énergie cinétique colossale impliquée par ces impacts est de nature à faire fondre et même vaporiser une partie importante des planètes et leur évolution thermique ultérieure commence par la condensation puis la cristallisation de la partie silicatée de la planète pour former son manteau, solide actuellement. La Terre silicatée traverse donc une période où elle est principalement liquide et forme ce qu'on appelle un océan de magma. La dynamique, l'évolution thermique et la cristallisation de cet océan de magma sont à l'origine d'événements précoces de différentiation du manteau et contrôlent la condition initiale de sa convection à l'état solide et le démarrage de la tectonique des plaques. Depuis quelques années, des traces de ces évènements ont été découvertes sous forme d'anomalies isotopiques infimes mesurées dans certaines roches. Les modèles développés jusqu'à présent pour la dynamique et l'évolution de ces océans de magma sont extrêmement rudimentaires, essentiellement basés sur des lois d'échelle dont l'applicabilité au problème n'est aucunement démontrée. En particulier, tous ces modèles font l'hypothèse que les océans de magma sont toujours bien mélangés par la convection dans un régime turbulent, convection produite par le refroidissement intense à la surface. Cependant, la cristallisation des composés complexes que sont les silicates du manteau conduit généralement à des variations de composition (cristallisation fractionnée) de sorte que le solide formé a une concentration plus faible en FeO que le liquide, lui même devenant ainsi plus riche et donc plus dense. La cristallisation du bas vers le haut de l'océan de magma (du fait de la forte pente du liquidus avec la pression) produit donc une densification progressive de la base de l'océan de magma, ce qui peut conduire au développement d'une couche stratifiée stable (Labrosse, Hernlund, and Hirose, 2015). L'objectif de ce projet est d'explorer les différents régimes possibles de convection thermo-solutale dans une coquille sphérique en rotation rapide en fonction de l'importance relative et des signes, stabilisant ou déstabilisant, des flux thermiques et chimiques imposés aux limites supérieures et inférieures. Nous rechercherons une nouvelle mise à l'échelle de l'effet des paramètres sans dimension du problème (rapport d'aspect de la coquille sphérique, nombres de Rayleigh et d'Ekman) sur la structure thermo–chimique et les flux de chaleur et de composition. Pour une application plus directe aux océans de magma, nous considérerons le couplage entre les conditions limites thermiques et chimiques du fait de la relation de phase à la base du modèle. Le refroidissement rapide de l'océan de magma conduit à une cristallisation rapide à la base, ce qui augmente le flux de composé dense et stabilisant. L'étude de cette dynamique devrait nous permettre de développer un nouveau modèle pour la structure et l'évolution des océans de magma et de réviser notre compréhension des premiers âges de la Terre. Pour mener cette étude, nous utiliserons le code de convection thermo-solutale développé par Mathieu Bouffard durant sa thèse (Bouffard, 2017). Ce code a initialement été écrit pour des applications à la dynamique des noyaux planétaires et a été validé (Bouffard et al., 2017) (fig. 1). Des premiers essais d'application du code à ce problème d'océan de magma ont donné des résultats très encourageants, montrant effectivement le développement d'une couche stratifiée en base du modèle lorsque l'on impose un flux du composé dense en bas et un flux de flottabilité thermique négative en haut. Après un première phase de prise en main du code et de petits développements, notamment pour prendre en compte des conditions limites de radiation à la surface supérieure, une partie importante du travail consistera en l'exploration de l'espace des paramètres. Des outils de visualisation et de traitement des résultats seront aussi à développer. Ce projet se fera en collaboration avec Mathieu Bouffard (actuellement post-doc à Göttingen). D'autres collègues du laboratoire, Renaud Deguen et Thierry Alboussière, pourront également participer au projet. Cette thèse se déroulera au laboratoire de géologie de Lyon et requiert des compétences en dynamique des fluides et thermodynamique. Il est donc adapté pour un étudiant provenant d'une formation de physique ou géophysique.

  • Titre traduit

    Double-diffusive convection in magma oceans


  • Résumé

    During its early ages, the Earth underwent giant impacts wich ended up in the liquefaction of the mantle in a magma ocean. The crystallization of this ocean determined the beginnig of plate tectonics. Until now modelisations of convection in such magma oceans are quite rough and assume a good mixing thanks to turbulent convection. Nevertheless partial crystallization of complex silicates can lead to a densification of the deep ocean, wich can end up in a stratified layer. The objective of the project is to explore the various double diffusive regimes in a rotating spherical shell according to the nature (stabilizing or destabilizing) and the relative weight of the thermal and compositionnal flux imposed at the upper and lower boundaries. Numerical tools (convection codes) will be used.