Some surface expressions of mantle convective instabilities

par Maëlis Arnould

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre

Sous la direction de Nicolas Coltice et de Dietmar Müller.

Soutenue le 26-09-2018

à Lyon en cotutelle avec l'University of Sydney , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) , Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (laboratoire) et de EarthByte Group, School of Geosciences (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Etude de l'expression de surface d'instabilités convectives mantelliques


  • Résumé

    Constituant la couche limite supérieure de la convection mantellique, la lithosphère terrestre est à l'interface entre les enveloppes externes et internes de notre Planète. Les interactions multiples entre celle-ci et le manteau sont à l'origine de déformations latérales (tectonique des plaques) et verticales (topographie dynamique) de la surface terrestre. Comprendre comment la formation et l'évolution d'instabilités convectives mantelliques renouvellent sans-cesse la surface est donc primordial pour améliorer nos interprétations d'un grand nombre d'observations de surface, telles que la formation de bassins sédimentaires, le mouvement des continents, la localisation des points chauds, la formation d'anomalies gravimétriques ou encore les variations du niveau marin.Cette thèse propose de développer des modèles numériques de convection mantellique générant defaçon auto-organisée de la tectonique des plaques en surface an d'étudier la façon dont le développement et la dynamique d'instabilités convectives telles que les panneaux de subduction ou les panaches mantelliques modifient la surface, dans un contexte de tectonique de surface approchant le régime terrestre.Dans une première partie, je m'intéresse à l'influence du couplage des mouvements de convection mantellique et de tectonique des plaques sur le développement de topographie dynamique (i.e. les mouvements verticaux de la lithosphère induits par la convection mantellique) à différentes échelles spatio-temporelles. Mes résultats suggèrent que la surface terrestre peut se déformer à toutes les échelles spatiales, du fait de mouvements convectifs de grande ampleur faisant intervenir le manteau entier (> 104 km) ou encore de convection à petite échelle sub-lithosphérique (< 500 km). Les variations temporelles de topographie dynamique s‘étendent de cinq à plusieurs centaines de millions d'années selon la nature des processus convectifs dont elles dérivent. En particulier, la dynamique d'initiation ou d'arrêt des zones de subduction contrôle l'existence d'échelles intermédiaires de topographie dynamique (longueurs d'onde variant entre 500 et 104 km). Ces résultats montrent donc que les interactions entre la dynamique de la lithosphère et la convection mantellique génèrent des motifs spatio-temporels de topographie dynamique complexes et cohérents par rapport aux observations terrestres.Dans un deuxième temps, cette thèse se focalise sur la dynamique des panaches mantelliques, et leurs interactions avec la surface. Je caractérise d'abord précisement le comportement des panaches générés dans nos modèles de convection à la lumière d'observations de surface. Puis, j'étudie la façon dont leurs interactions avec la tectonique de surface et les différentes échelles convectives modifient leurs mouvements latéraux. Enfin, la compréhension de la signature thermique des interactions entre panaches et rides océaniques me permet de proposer une reconstitution des mouvements relatifs entre le panache des Açores et la ride médio-Atlantique.


  • Résumé

    Earth's lithosphere, which is the upper boundary layer of mantle convection, represents the interface between the external and internal envelopes of our Planet. The multiple interactions between the mantle and lithosphere generate lateral (plate tectonics) and vertical (dynamic topography) deformations of Earth's surface. Understanding the influence of the dynamics of mantle convective instabilities on the surface is fundamental to improve our interpretations of a large range of surface observations, such as the formation of sedimentary basins, continental motions, the location of hotspots, the presence of gravity anomalies or sea-level variations.This thesis aims at developing numerical models of whole-mantle convection self-generating plate-like tectonics in order to study the impacts of the development and the dynamics of mantle convective instabilities (such as slabs or mantle plumes) on the continuous reshaping of the surface.First, I focus on the influence of the coupling between mantle convective motions and plate tectonics on the development of dynamic topography (i.e. surface vertical deformations induced by mantle convection) at different spatial and temporal scales. The results suggest that Earth's surface can deform over large spatial scales (> 104 km) induced by whole-mantle convection to small-scales (< 500 km) arising from small-scale sub-lithospheric convection. The temporal variations of dynamic topography range between five and several hundreds of millions of years depending on the convective instabilities from which they originate. In particular, subduction initiation and slab break-off events control the existence of intermediate scales of dynamic topography (between 500 and 104 km). This reflects that the interplay between mantle convection and lithosphere dynamics generates complex spatial and temporal patterns of dynamic topography consistent with constraints for Earth.A second aim of this thesis is to understand the dynamics of mantle plumes and their interactionswith surface. I first characterize in detail the behaviour of mantle plumes arising in models ofwhole-mantle convection self-generating plate-like tectonics, in light of surface observations. Then, I study how the interactions between surface plate tectonics and mantle convection affect plume motions. Finally, I use observations of the thermal signature of plume/ridge interactions to propose a reconstruction of the relative motions between the Azores mantle plume and the Mid-Atlantic Ridge.


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