Caractérisation des panaches thermiques dans un fluide à viscosité variable : Application à l'entraînement et au mélange dans le manteau terrestre

Characterization of thermal plumes in a variable viscosity fluid : Application to entrainment and mixing in the Earth's mantle

• Auteur / Autrice : Floriane Touitou
• Direction : Anne Davaille, Geneviève Brandeis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Institut de physique du globe (Paris ; 1921-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hawaii (États-Unis)

Écoulement laminaire

Points chauds (géologie)

Panaches mantelliques

Résumé

Origine probable du volcanisme intraplaque (ou points chauds), les panaches du manteau terrestre ne cessent aujourd'hui de fasciner la communauté scientifique par l'hétérogénéité du matériel qu'ils échantillonnent à la surface de notre planète. Afin de caractériser et quantifier le rôle des panaches dans l'entraînement et le mélange du manteau, nous avons mis en place un modèle en laboratoire de panache thermique laminaire à haut nombre de Prandtl, dans un fluide dont la viscosité dépend fortement de la température. A travers un dispositif de visualisation simultanée et non intrusive de la température, vitesse et marqueurs passifs, l'étude décrit avec précision la phénoménologie du panache et propose des lois d'échelle pour la vitesse et la température de la tête et du conduit du panache. On montre notamment une forte dépendance des grandeurs avec le nombre de Rayleigh et le rapport de viscosité. Par l'intermédiaire d'un code de re-création du déplacement de marqueurs numériques à partir des champs de vitesse expérimentaux, l'étude montre que le conduit chaud est constitué uniquement de matériel ayant transité par la couche limite thermique, au fond de la cuve. Étiré sous forme de fins filaments, il est transporté dans le conduit sans mélange latéral. Quant au grossissement de la tête, il est dû à l'alimentation en fluide chaud par le conduit et l'incorporation par diffusion-convection de fluide ambiant. Notre étude valide l'un des principaux modèles d'entraînement (filaments) sans rejeter les modèles historiques (modèle concentrique et de "pancakes") dont on pointe l'origine des différences. Enfin, modèle et lois d'échelle sont appliquées au point chaud d'Hawaï.