Prédiction des structures convectives terrestres

Prediction of convective structures in the Earth’s mantle

• Auteur / Autrice : Léa Bello
• Direction : Nicolas Coltice
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 16/01/2015
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Yanick Ricard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Coltice, Yanick Ricard, Luce Fleitout, Laurent Husson, Taras V. Gerya, Carolina Lithgow-Bertelloni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luce Fleitout, Laurent Husson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Terre -- Manteau

Chaleur -- Convection

Tectonique des plaques

Mots clés libres

Convection mantellique

Reconstructions tectoniques

Rhéologie

Prédiction

Mantle convection

Tectonic reconstructions

Rheology

Prediction

Résumé

Depuis sa formation, la Terre subit un refroidissement lent. La chaleur provenant du noyau et de la désintégration des éléments radioactifs présents dans le manteau est évacuée vers la surface par convection. L’évolution des structures thermiques ainsi créées contrôle de nombreux phénomènes de surface tels que le mouvement des continents et le niveau marin. L’étude présentée ici s’attache à déterminer quelles structures convectives terrestres peuvent être reconstruites, sur quelle période de temps et avec quelle précision. La chaoticité de la convection implique que les incertitudes initialement présentes sur le champ de température croissent exponentiellement au cours du temps et peuvent créer des structures convectives artificielles dans les modèles. A l’aide de la méthode des expériences jumelles initialement développée par Lorenz [1965] en météorologie, le temps de Lyapunov et l’horizon de prédiction sont calculés pour la première fois en géodynamique mantellique. Différentes rhéologies sont étudiées. La valeur du temps de Lyapunov pour notre modèle le plus proche de la Terre suggère qu’une erreur de 5% sur les conditions initiales limite l’horizon de prédiction à 95 millions d’années. D’autre part, la qualité de la prédiction des structures thermiques dépend de notre capacité à décrire de façon réaliste les propriétés rhéologiques du manteau. L’utilisation d’une rhéologie pseudo-plastique dans les modélisations de convection en 3D sphérique, permet aujourd’hui de générer une tectonique de plaques compatible au premier ordre avec les caractéristiques cinématiques de la surface terrestre. Une stratégie cohérente de reconstruction peut alors être élaborée. L’état thermique actuel du manteau est reconstruit en imposant les vitesses de surface de ces 200 derniers millions d’années [Seton et al., 2012; Shephard et al., 2013] sur un modèle de convection généré par le code StagYY [Tackley, 2008]. La morphologie et la position des slabs reconstruits varient considérablement avec le contraste de viscosité et la pseudo-plasticité. L’erreur introduite par l’utilisation de rhéologies différentes lors des reconstructions est ainsi plus importante que les erreurs liées aux incertitudes sur les conditions initiales et les vitesses de surface. Ces résultats montrent l’importance du choix la rhéologie sur la qualité des prédictions réalisées. Ils mettent également en évidence rôle clé du contraste de viscosité et de la pseudo-plasticité pour reconstruire des slabs cohérents et des subductions plates, structures propres à la convection terrestre.

Since its formation, the Earth is slowly cooling. The heat produced by the core and the radioactive decay in the mantle is evacuated toward the surface by convection. The evolving convective structures thereby created control a diversity of surface phenomena such as vertical motion of continents or sea level variation. The study presented here attempts to determine which convective structures can be predicted, to what extent and over what timescale. Because of the chaotic nature of convection in the Earth’s mantle, uncertainties in initial conditions grow exponentially with time and limit forecasting and hindcasting abilities. Following the twin experiments method initially developed by Lorenz [1965] in weather forecast, we estimate for the first time the Lyapunov time and the limit of predictability of Earth’s mantle convection. Our numerical solutions for 3D spherical convection in the fully chaotic regime, with diverse rheologies, suggest that a 5% error on initial conditions limits the prediction of Earth’s mantle convection to 95 million years. The quality of the forecast of convective structures also depends on our ability to describe the mantle properties in a realistic way. In 3D numerical convection experiments, pseudo plastic rheology can generate self-consistent plate tectonics compatible at first order with Earth surface behavior [Tackley, 2008]. We assessed the role of the temperature dependence of viscosity and the pseudo plasticity on reconstructing slab evolution, studying a variety of mantle thermal states obtained by imposing 200 million years of surface velocities extracted form tectonic reconstructions [Seton et al., 2012; Shephard et al., 2013]. The morphology and position of the reconstructed slabs largely vary when the viscosity contrast increases and when pseudo plasticity is introduced. The errors introduced by the choices in the rheological description of the mantle are even larger than the errors created by the uncertainties in initial conditions and surface velocities. This work shows the significant role of initial conditions and rheology on the quality of predicted convective structures, and identifies pseudo plasticity and large viscosity contrast as key ingredients to produce coherent and flat slabs, notable features of Earth’s mantle convection.