Etude numérique de l'interaction manteau convectif/lithosphère illustrée par deux exemples : amincissement d'une lithosphère continentale et écoulement en base de la lithosphère océanique

Numerical study of convective mantle and lithosphère interaction : continental lithosphere thinning and mantle flow at the base of oceanic lithosphere

• Auteur / Autrice : Christina Morency
• Direction : Luce Fleitout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, océan, espace. Sciences de la terre
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation numérique

Convection à 2-D et à 3-D

Amincissement lithospérique

Délamination mantellique

Résumé

J'ai utilisé deux codes numériques de convection à 2-D et à 3-D, pour étudier l'interaction entre le manteau convectif et la lithosphère continentale et océanique. Dans une première partie, je me suis intéressée aux mécanismes d'amincissement d'une lithosphère continentale, en étudiant d'une part les temps caractéristiques d'une déstabilisation convective et d'autre part les paramètres influençant l'initiation de la délamination, définie comme le décollement soudain de l'ensemble du manteau lithosphérique de la croûte par le biais de la propagation d'une zone de cisaillement fortement localisée. J'ai montré à 2-D que le retour à l'équilibre thermique d'une lithosphère continentale épaissie de façon homogène s'effectue sous l'effet d'une convection à petite échelle. Cette convection, sous la forme d'instabilités de l'interface lithosphère/asthénosphère, est fortement controlée par la dépendance en température de la viscosité, que j'ai donc fait varier dans une gamme réaliste. Ces instabilités sont dues au contraste de densité latéral au bord de la racine et/ou au gradient de densité à la base de la racine. J'ai montré que la prédominance de l'un ou l'autre de ces mécanismes dépend de la géométrie de la racine. J'ai de plus établi des lois empiriques permettant d'estimer le temps de retour à l'équilibre. Il apparaît que ces lois ne sont fonction que de paramètres locaux, tels que l'épaisseur de la lithosphère à l'équilibre, le facteur d'épaississement et le saut de température en base de lithosphère. De plus, ces mécanismes d'érosion par convection à petite échelle s'avèrent peu efficaces sur l'échelle des temps caractérisant les orogènes. En ce qui concerne l'étude à 2-D et à 3-D de l'initiation de la délamination, un critère a été établi fonction de la viscosité au Moho de la croûte et du manteau. La délamination peut s'initier sur Terre pour une température au Moho élevée (> 800ʿC) associée à des viscosités de croûte et de manteau suffisamment faibles. Deux modes de détachement du manteau lithosphérique ont été observés, par "slabs" ou par "blobs", fonction de la résistance de la croûte et du manteau au Moho. Une deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'étude à 3-D de l'écoulement en base de lithosphère océanique. En effet, bon nombre de questions se posent encore sur le lien entre le mouvement d'une plaque lithosphérique et l'écoulement à sa base. De plus, peu d'études prennent en compte la présence de failles transfomantes le long de l'axe d'accrétion. Notre étude souligne l'influence des failles transformantes sur la géométrie de l'écoulement. Pour une ride continue et perpendiculaire à la direction de la vitesse de plaque, nous montrons que des instabilités, issues de la déstabilisation de la lithosphère sous l'effet d'une convection à petite échelle, apparaissent parallèlement à l'axe de la ride, aux âges jeunes, et perpendiculairement à l'axe de la ride aux âges vieux.

I have used two numerical codes of 2-D and 3-D convection to study the interaction between the convective mantle and the continental and oceanic lithospheres. In a first part I focused on the thinning mechanisms of a continental lithosphere: I studied characteristic times of convective destabilisation and, on the other hand, parameters influencing the initiation of delamination, defined as a sudden sinking of lithospheric mantle at the favour of a crustal decoupling level. I showed in 2-D that a homogeneously thickened continental lithosphere, as it could be the case in orogenic settings, comes back to its thermal equilibrium state because of small-scale convection. This convective flow is generated by instabilities of the lithosphere/asthenosphere interface, the amplitude of which is strongly controlled by the temperature dependance of the viscosity. This convective flow is due to the finite density perturbations induced by the topography of the isotherms at the base and/or at the sides of the root. The controlling mechanism depends on the root geometry. We derive two general parameterizations of convective removal duration as a function of local parameters, like the equilibrium thickness, the thickening factor, the root width, and the rheological temperature scale. Convective removal duration is too long for these mechanisms to explain the characteristic time of root removal during an orogen. The 2-D and 3-D study of delamination initiation at the favor of a crustal decoupling level shows that initiation takes place where the Moho temperature is the highest (> 800ʿC), as soon as the crust and mantles viscosities are sufficiently low. Moreover, two kinds of mantle lithosphere peeling have been observed, by slabs or by blobs, depending on crustal and mantle strength at the Moho. A second part of this thesis was dedicated to the study of 3-D mantle flow beneath mid-ocean ridges. Indeed, a key issue is the link between plate direction velocity and the flow geometry beneath the oceanic lithosphere. Furthermore only a few studies take into account transform faults along the oceanic ridge. Our study clearly shows the influence of transform faults on the flow geometry. For a linear ridge perpendicular to the plate motion, we first observe a series of downgoing instabilities parallel to the ridge axis at young ages and then a series of downgoing instabilities nearly perpendicular to the ridge axis.