Convection dans le manteau primitif en interaction avec des océans de magma globaux

Convection in the primitive mantle in interaction with global magma oceans

• Auteur / Autrice : Adrien Morison
• Direction : Stéphane Labrosse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 15/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Chloé Michaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Labrosse, Chloé Michaut, Ondřej Čadek, Neil Ribe, Philippe Cardin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ondřej Čadek, Neil Ribe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Dynamique des fluides

Océans de magma

Changement de phase

Terre primitive

Analyse de stabilité linéaire

Simulations numériques

Conditions limites

Fluid dynamics

Magma oceans

Phase change

Early Earth

Linear stability analysis

Numerical simulations

Boundary conditions

Résumé

Un scénario couramment considéré lors de la formation des planètes telluriques est celui des océans de magma. L'énergie d’accrétion ainsi que celle dégagée par la désintégration d’éléments radioactifs de courtes périodes est en effet largement suffisante pour fondre une large portion voire l'entièreté du manteau terrestre, formant dans ce dernier cas un océan de magma global. La dépendance en pression de la température de solidification et le fort gradient du profil isentropique dans le manteau inférieur peut ammener à une cristallisation decet océan de magma global par le milieu. Ceci conduit à une situation où la partie solide du manteau primitif est encadrée par deux océans de magma globaux : un en surface, et un basal. Cette thèse se focalise sur deux aspects scientifiques d'un tel système. D'une part, les océans de magma ayant une composition similaire à celle du solide, la matière en convection dans le solide n'est pas nécessairement arrêtée à l'interface entre le solide et le liquide mais peut la traverser par fusion/cristallisation si le temps de changement de phase est court devant le temps de construction de topographie du solide au sein du liquide par force visqueuse. Une analyse de stabilité linéaire ainsi que des simulations numériques directes montrent que cette possibilité de changement de phase affecte considérablement la convection dans la partie solide. Le nombre de Rayleigh critique est abaissé, les structures convectives ont une plus grande longeur d'onde, et le flux de chaleur transporté à travers la couche solide peut être de plusieurs ordres de grandeurs plus important qu'avec des conditions aux limites classiques. Le deuxième aspect étudié durant cette thèse est celui de l'évolution à long terme du manteau primitif. En couplant le modèle de convection dans le solide avec des modèles simples d'évolution des océans de magma, nous avons construit un modèle d'évolution global du manteau primitif en suivant l'évolution thermo-compositionelle des océans de magma globaux et de la partie solide. Une analyse de stabilité linéaire montre que la convection dans la partie solide démarre avant même que l'océan de magma en surface soit entièrement cristallisé. Une simulation numérique directe préliminaire montre que la cristallisation fractionnée de l’océan de magma basal peut conduire à la formation de larges piles thermochimiques en base du manteau solide, similaires aux structures de faibles vitesses sismiques (LLSVP) observées de nos jours. La présence d'océans de magma globaux peut donc avoir d'importantes répercussions sur l'évolution à long terme de la Terre : d'une part via les structures thermiques et compositionnelles mises en place par la cristallisation fractionnée des océans et la convection dans le solide ; d'autre part, le bilan énergétique global peut être considérablement affecté par le fort flux de chaleur extrait par le manteau solide du fait des conditions de changement de phase.

A common scenario considered during the formation of Earth-like bodies is that of magma oceans. Indeed, the accretion energy as well as the heat produced by the radioactive decay of short-period elements is more than enough to melt entirely the primitive mantle, thereby forming a global magma ocean. The pressure-dependence of the solidification temperature as well as the steep isentropic temperature profile at the base of the mantle could lead to a crystallization of that global magma ocean from the middle. The primitive solid mantle could therefore be bounded by two global magma oceans: one above and one below.This PhD thesis focuses on two aspects of such a system. First, the solid part of the mantle and the magma oceans being of similar composition, convecting matter in the solid is not necessarily stopped by the solid/liquid interface but could instead go through it by melting/freezing provided that the phase change timescale is short enough compared to the viscous timescale needed to build a solid topography in the liquid oceans. A linear stability analysis and direct numerical simulations show the phase change at the boundary greatly affects convection in the solid part of the mantle. The critical Rayleigh number decreases, convective patterns have a larger wavelength, and the heat flux carried through the solid increases of up to several orders of magnitude compared to cases with classical boundary conditions.The second aspect explored in this thesis is the long-term evolution of the primitive mantle. Coupling convection in the solid with simple evolution models for the magma oceans allowed us to build a global evolution model of the primitive mantle monitoring the thermo-compositional evolution of the solid mantle and magma oceans. A linear stability analysis shows convection sets in the solid before the surface magma ocean crystallizes entirely. A preliminary direct numerical simulation shows the fractional crystallization of the basal magma ocean may lead to the formation of large thermo-chemical piles at the base of the solid mantle. These piles are similar to the large low-shear velocity provinces (LLSVP) observed today.The presence of global magma oceans could therefore have important consequences on the long-term evolution of the Earth: first, fractional crystallization of the magma oceans and convection in the solid part affect the resulting thermal and compositional structures; and second, the global heat budget could be tremendously affected by the high heat flux carried out by the solid part owing to the phase change boundary conditions.