Influence of the fluid structure and elasticity on motions in a yield-stress material - Implications for geological systems

par Nicolò Rubens Sgreva

Thèse de doctorat en Structure et évolution de la terre et des autres planètes

Sous la direction de Anne Davaille.

Le président du jury était Andréa Tommasi.

Le jury était composé de Muriel Gerbault, Christel Métivier, Boris Kaus, Philippe Gondret.

Les rapporteurs étaient Muriel Gerbault, Christel Métivier.

  • Titre traduit

    Influence de la structure du fluide et de l'élasticité sur les mouvements dans un matériau avec contrainte-seuil - Implications pour les systèmes géologiques


  • Résumé

    Cette thèse étudie la transition solide/fluide dans les fluides à contrainte-seuil, en utilisant des expériences de laboratoire et des simulations numériques. Les résultats obtenus à partir de l’étude de mécanique des fluides sont ensuite appliqués à la dynamique des systèmes magmatiques. Les objectifs sont d’évaluer comment la transition dépend de la structure du fluide et de son élasticité, quels sont les ingrédients nécessaires pour décrire mathématiquement cette transition et le mouvement du fluide, et dans quelles conditions cette description n’est plus valide. Deux systèmes ont été choisis pour la simplicité de leur dynamique dans le cas Newtonien et leur pertinence pour les systèmes géologiques: (1) le mouvement d’une sphère solide, et (2) le développement des panaches thermiques. Dans le premier cas, on a caractérisé expérimentalement la chute libre d’une shère dans un mélange aqueux de gels superabsorbants. L’objectif est ici d’étudier l’influence de la taille des grains de gel qui constituent la structure du fluide sur la dynamique de l’intrusion sphérique. Dans le second cas, l’approche utilisée est numérique, avec des simulations combinant les effets viscoplastiques et viscoélastiques. Le rôle de l’élasticité sur la déformation du fluide est ainsi caractérisé. Les résultats sont ensuite appliqués aux réservoirs magmatiques dans la croûte terrestre, où sont examinés les phénomènes à petite échelle (le mouvement des bulles de gaz et des poches de liquide fondu dans la chambre magmatique) et à grande échelle (la remontée d’un diapir magmatique et la déformation de la croûte au dessus de la chambre magmatique).


  • Résumé

    In this thesis, the solid/flowing transition in yield-stress fluids is investigated using laboratory experiments and numerical simulations. The results obtained from the fluid mechanics study are then applied to the dynamics of magmatic systems. The aims are to evaluate how the transition depends on the fluid structure and its elasticity, what ingredients are needed to describe mathematically this transition and fluid motion, and when this description will break down. Two systems have been chosen for the simplicity of their dynamics in Newtonian fluids and their relevance to geological systems: (1) the motion of a solid sphere, and (2) the development of thermal plumes. Case (1) regards the experimental work on the free-fall of a sphere through a mixture of water and superabsorbent gel grains. The aim here is to investigate the influence that the size of particles which build up the structure of the fluid has on the dynamics of a spherical intruder. Case (2) is instead approached through numerical simulations that combine viscoelasticity and viscoplasticity together. The role of elasticity on the overall deformation of the fluid is characterized. Results are afterwards applied to crustal magmatic reservoirs in which both small scale phenomena (such as the motion of bubbles and melt pockets) and larger scale phenomena (deformation on the top of an entire magmatic chamber) are examined.


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