Thèse soutenue

Analyse de la fusion partielle dans le panache mantellique de la Réunion

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Auteur / Autrice : Thijs Franken
Direction : Alexandre Fournier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
Date : Soutenance le 17/12/2019
Etablissement(s) : Université Paris Cité
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
Jury : Président / Présidente : Édouard Kaminski
Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Fournier, Édouard Kaminski, Saskia Goes, Lapo Boschi, Fanny Clémentine Garel, Nobuaki Fuji, John Joseph Armitage, Chloé Michaut
Rapporteurs / Rapporteuses : Saskia Goes, Lapo Boschi

Résumé

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La fusion partielle dans la partie supérieure du manteau est fréquente dans les zones de remontée d’eau du manteau, comme les rifts, les dorsales médio-océaniques et les points chauds. Des zones de faible vitesse d’ondes de cisaillement dans le manteau peu profond (∼ 80 km) sont souvent associées à ces endroits, révélant des anomalies de vitesse de 4 à 5 % généralement attribuées à la présence de matériau fondu. Cependant, les études sur la quantité de matière fondue responsable de la réduction de la vitesse conduisent, suivant leur nature, à des conclusions différentes: les résultats expérimentaux de la pétrologie, des observations géochimiques et des modèles géodynamiques suggèrent une rétention de la matière fondue inférieure à 1 %, alors que les interprétations sismiques exigent une rétention supérieure à 1%. Dans cette thèse, j’essaie de résoudre le désaccord sur la rétention de la masse fondue dans l’asthénosphère en croisant des modèles de production de matériau en fusion et de propagation des ondes sismiques pour relier directement les conditions géodynamiques de la fusion partielle aux observations sismiques du panache mantellique de la Réunion. J’ai mis au point un modèle 1D de production de fusion qui évalue la rétention de la matière fondue selon le coefficient de perméabilité, la températures initiale du manteau et la vitesses de remontée d’eau selon un problème de Stokes modifié supposant un écoulement poreux. 210 scénarios de modèles de fusion sont convertis en vitesses d’ondes P et S sismiques anharmoniques à l’aide d’une base de données de paramètres minéraux, qui sont ensuite incorporés dans le modèle de référence de la terre ak135 pour générer des sismogrammes synthétiques des scénarios de fusion pour 21 tremblements de Terre. J’analyse l’effet du matériau fondu sur les composantes radiale, transversale et verticale de l’onde pour les arrivées de phase P, S, Pdiff et SKS. Grâce à une procédure automatisée de corrélation croisée, je calcule les différences relatives de temps de parcours entre les sismogrammes observés et les 210 traces synthétiques, pour chacun des 21 événements, 4 arrivées de phase, 3 composantes d’onde et 4 fréquences différentes de filtrage. J’analyse 70 896 points de données de temps de parcours relatifs pour trouver une solution optimale rendant compte des temps de parcours relatifs entre les traces du modèle et les observations sismiques, afin de découvrir quel scénario de fusion décrit le manteau supérieur sous la Réunion. La solution au scénario du modèle le mieux adapté n’est pas unique, puisque plusieurs combinaisons du coefficient de perméabilité, de température et de vitesse de remontée peuvent donner la même solution. En analysant séparément la distribution des paramètres du modèle sur la solution de temps de parcours relatif minimisé des 70 896 points de données pour les différentes arrivées de phase et composantes des ondes, on peut identifier deux régimes probables des conditions du manteau supérieur pouvant rendre compte des observations sismiques. Les conditions de manteau sous la Réunion se situent soit dans la plage de température de 1300 à 1350°C avec des fractions en fusion de ∼ 1 %, soit dans la plage de température de 1400 à 1450 °C avec des fractions en fusion inférieures à 0,3 %. Les contraintes des études sur la température du manteau supérieur, la perméabilité et les vitesses de transport du matériau fondu correspondent à ce dernier cas, ce qui souligne qu’une faible rétention de matériau fondu dans le manteau peu profond sous la Réunion satisfait simultanément les observations sismiques et les conditions géodynamiques prévues.