Modélisation d’un système biphasique avec changement de phase : application à la graine terrestre et aux objets transneptuniens

Modeling of a two-phases system with phase change : application to the Earth inner core and transneptunian objects

• Auteur / Autrice : Robin Métayer
• Direction : Renaud Deguen, Aurélie Guilbert-Lepoutre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers
• Date : Soutenance le 29/06/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Allemand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Deguen, Aurélie Guilbert-Lepoutre, Julie Castillo-Rogez, Gaël Choblet, Philippe Cardin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julie Castillo-Rogez, Gaël Choblet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre -- Noyau

Matériaux à changement de phase

Kuiper, Ceinture de

Innovation

Planétologie

Mots clés libres

Planétologie

Objets transneptuniens

Graine terrestre

Modèle d'évolution thermique

Différenciation

Compaction

Changement de phase

Milieu biphasique

Planetology

Transneptunian objects

Earth's inner core

Thermal evolution model

Differentiation

Compaction

Phase change

Two-phases mixture

Résumé

Le noyau, au centre de la Terre, est composé principalement d'un alliage de fer-nickel, il se décompose en une partie liquide externe et une sphère centrale majoritairement solide. Cette sphère centrale s'appelle la graine, elle croît par cristallisation du fer liquide au détriment du noyau externe. La frontière graine-noyau liquide n'est pas franche, ce qui conduit à l'intégration de fer liquide dans la graine qui est donc un milieux biphasique liquide-solide. Les objets transneptuniens sont des petits corps du système solaire dont l'orbite se situe majoritairement au-delà de celle de Neptune. Ce sont des corps glacés composés de glaces et de poussières de roches. L'augmentation de température d'origine radioactive sur les objets suffisamment gros pour retenir la chaleur aux échelles de temps géologiques peut induire la fusion de la glace d'eau. Ce changement de phase conduirait à la différenciation de ces objets avec un noyau central rocheux, entouré d'un manteau de glaces moins dense. Cette différenciation n'a jamais été vraiment étudiée numériquement et est généralement considérée immédiate et totale si la fusion est initiée. Ces objets très différents sont difficiles à caractériser géologiquement. En effet, alors que les objets transneptuniens sont très loin dans le système solaire et donc que leurs observations restent relativement pauvres en informations, la graine terrestre est tout aussi inaccessible. Celle-ci ne peut être sondée que via les ondes sismiques qui la traversent. Ce sont aussi conjointement des objets constitués de 2 phases~: liquide et solide, l'évolution de ce matériel biphasique dépend de la possibilité pour ces phases, de densités différentes, de se séparer, ainsi que du changement de phase~: fusion et cristallisation. La séparation des phases liquide et solide d'un même composé se fait par compaction du solide et extraction du liquide sous l'effet de la gravité. Cela gouverne la quantité actuelle de fer liquide présente dans la graine mais aussi la différenciation des objets transneptuniens de taille suffisante. Enfin, ces systèmes biphasiques ferreux et aqueux présentent chacun en minorité des espèces antigels qui motivent un traitement du changement de phase similaire. Le développement au cours de cette thèse d'un modèle biphasique a pour objectif de caractériser la compaction de la graine terrestre et en particulier les effets du changement de phase peu étudiés jusqu'ici, ainsi que la différenciation des objets transneptuniens. Nous présentons dans ce manuscrit le modèle physique que nous utilisons ainsi que les adaptations que nous avons établi pour ces 2 objets géologiques distincts.

At the center of the Earth, the core is mainly composed of an iron-nickel alloy, it is composed of a liquid outer core and a mainly solid inner core. This central sphere grows by crystallization of the liquid iron at the expense of the outer core. The boundary between inner and outer core is not sharp. This leads to the integration of liquid iron into the inner core, which is therefore a liquid-solid two-phase medium. Transneptunian objects are small bodies of the solar system whose orbits are mostly beyond the orbit of Neptune. They are icy bodies composed of ice and rocky dust. Due to radiogenic heating, the temperature rises in objects large enough to retain heat on geologic timescales, which can induce melting of water ice. This phase change would lead to the differentiation of these objects with a central rocky core surrounded by a less dense mantle of ice. This differentiation has never really been studied numerically and is generally considered immediate and complete whenever fusion is initiated. These very different objects are difficult to characterize geologically. Indeed, as the transneptunian objects are very far in the solar system, their observations remain relatively poor in information; the inner core is as inaccessible. It can only be probed with seismic waves that pass through. They are both objects made of 2 phases: liquid and solid, the evolution of this two-phases material depends on the possibility for these phases, of different densities, to separate, and on the change of phase as well: melting and crystallization. The separation of the liquid and solid phases of the same material is done by compaction of the solid and extraction of the liquid under gravity. This governs the current amount of liquid iron present in the inner core and also the differentiation of trans-Neptunian objects of sufficient size. Finally, these ferrous and aqueous two-phases systems both present a minor fraction of chemical elements acting as anti-freeze which motivate a similar phase change treatment. The development during this thesis of a two-phases model aims to characterize the compaction of the Earth's inner core and in particular the effects of the phase change sparsely studied until now, as well as the differentiation of trans-Neptunian objects. We present in this manuscript the physical model that we use as well as the adaptations that we established for these 2 distinct geological objects.