Stability and instability of continental lithosphere

Stabilité et instabillité de la lithosphère continentale

• Auteur / Autrice : Loïc Fourel
• Direction : Claude Jaupart, Cinzia Farnetani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Institut de physique du globe (Paris ; 1921-....)

Mots clés

Mots clés libres

Cratons

Instabilités lithosphériques

Mécanique des fluides

Simulations numériques

Lois d'échelle

Convection

Continent

Résumé

La plupart des études traitant de la longévité des cratons abordent le sujet du point de vue de leur stabilité et non de leur instabilité. Nous analysons les conditions de stabilité et d'instabilité de la lithosphère continentale par le biais de simulations numériques et d'expériences de laboratoire. La lithosphère est faite de manteau différencié, plus visqueux et moins dense que le manteau primitif. Nous traitons des cas où la viscosité est constante et où elle dépend de la température. Nous mettons en évidence deux régimes différents. Dans le premier, la lithosphère est stable au dessus d'une convection n'impliquant que le manteau sous-jacent. Dans le deuxième cas, la partie inférieure de la lithosphère se déstabilise et les caractéristiques de la convection dépendent de sa viscosité (et non de celle du manteau sous-jacent). Des lois d'échelle dérivées d'un grand nombre de simulations ont été établies pour les deux régimes. Elles nous permettent d'estimer la différence de température disponible pour la convection sous les continents et le nombre de flottabilité de la lithosphère continentale. Les expériences de laboratoire nous ont permis de préciser le comportement de ces instabilités dans le cas de continents de taille finie. Pour l'ensemble des géométries testées, le patron convectif se développe de manière radiale sur une couronne dont la largeur varie avec les nombres sans dimension du système. Le rapport d'aspect, hauteur sur largeur, d'un continent influe sur sa stabilité. Plus il est grand et plus le continent est stable

Most of the studies concerning cratonic longevity tackle the problem from the stability point of view and not the instability. We analyze stability and instability conditions of continental lithosphere through numerical simulations and laboratory experiments. Continental lithosphere is made of differentiated mantle, more viscous and less dense than the primitive mantle. We treat cases in which viscosity is constant and where it depends on temperature. We characterize two different regimes. In the first one, the lithosphere remains stable over a convection which only implies the underlying mantle. In the second one, the lower part of lithosphere is unstable and the characteristics of convection only depend on its viscosity (not the viscosity of the underlying mantle). Scaling laws are derived from numerous simulations for both regimes. They allow us to estimate the temperature difference available for convection underneath the continents as well as the buoyancy number for continental lithosphere. Laboratory experiments define the behaviour of such instabilities in the case of continents of finite horizontal width. For every geometry tested, the convective pattern develops radially over a corona which width depends on the dimensionless numbers of the system. The aspect ratio, defined as height over width, of a continent affects its stability. The greater it is, the stabler is the continent