Dynamique des fluides et des transports appliquée à la Terre primitive

Dynamics of fluids and transport applied to the early Earth

• Auteur / Autrice : Martina Ulvrová
• Direction : Stéphane Labrosse, Nicolas Coltice
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 15/10/2012
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Alboussière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Labrosse, Nicolas Coltice, Thierry Alboussière, Claude Jaupart, Christophe Sotin, Cinzia Farnetani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Jaupart, Christophe Sotin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transition de phase

Chaleur -- Convection

Solidification

Cristallisation

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Dynamique des fluides

Terre primitive

Modélisation numérique

Equilibration

Cristallisation

Solidification

Transition de phase

Convection

Fluid dynamics

Early Earth

Numerical modeling

Equilibration

Crystallization

Solidification

Phase transitions

Convection

Résumé

Nous avons étudié le transfert de chaleur et de matière au cours de l'histoire de la Terre primitive à de multiples échelles en utilisant des modèles numériques. Deux systèmes différents sont abordés. Tout d’abord, nous nous concentrons sur les premiers stades de la formation du noyau terrestre lorsque le fer se sépare des silicates et descend vers l'intérieur de la planète. Au cours de la différenciation, des interactions chimiques et thermiques se produisent entre les gouttes de fer dispersées dans des silicates fondus formant un océan de magma. Nous étudions le transport chimique des éléments traces à l'intérieur et autour des gouttes. Nous tirons quelques relations fonctionnelles dépendante du régime dynamique d'écoulement et montrons que le système tend à être en équilibre chimique extrêmement rapidement par rapport à l'échelle de temps de la descente de la goutte de fer. Peu de temps après la fin de l'accrétion de la Terre, la fusion extensive de son intérieur profond ainsi que la formation d'un océan de magma en surface a lieu. Comme le rayonnement de la chaleur dans l'espace est très efficace, les silicates fondus superficiels cristallisent très rapidement. L'histoire thermique de la couche liquide enterrée, appelée océan de magma basal (OMB), se déroule sur une longue période de temps et il est proposé que ses restes soient aujourd'hui observables sous forme de poches partiellement fondues au dessus de frontière noyau-manteau. Nous déterminons les paramètres régissant un système convectif dans lequel se produit une transition solide/liquide. Les lois d'échelle ainsi obtenues ont été appliquées à l'OMB et indiquent que la différence de température qui peut être maintenue dans les couches limites supérieure et inférieure de l'OMB est infime. Par conséquent, la température du noyau suit la température de liquidus à la base du manteau et ainsi la vitesse de refroidissement de l'OMB doit être la même que celle du noyau de la Terre.

We have studied the heat and mass transfer during the early Earth history at multiple scales and for multiple systems by means of numerical computing. Two different systems are approached. Firstly, we focus on the early stages of the Earth core formation when iron segregates from silicates and descends toward the interior of the planet. During the differentiation there are chemical and thermal interactions between dispersed iron blobs and surrounding molten silicates. We study the chemical transport of trace elements within and around the drops. We derive functional relations between critical parameters and show that the system tends to be in chemical equilibrium.During the accretion process of the Earth, extensive melting of its deep interior as well as formation of shallow magma oceans occurred.As heat radiation into space happens with high efficiency, surface molten silicates crystallize very rapidly, in about 10 My. The thermal history of the buried liquid layer, called the basal magma ocean (BMO), proceeds over a long time and it is proposed that its remnants are nowadays observable as partial melts in the core-mantle boundary region.We develop numerical models of the thermal history of the crystallizing basal magma ocean that enable to study coupling between the mantle and the core in the presence of the BMO. We derive parametrized relations for this convective system that undergoes solidification/melting. Obtained scaling equations applied to the BMO indicate that the temperature difference that can be maintained across the top and bottom boundaries of the BMO is minute. Hence, the temperature of the core follows the temperature of liquidus at the bottom of the mantle and thus the rate of the BMO cooling must be the same as that of the Earth's core.