Localisation de la déformation dans le manteau lithosphérique pour former de nouvelles frontières de plaques

Localizing deformation in the lithospheric mantle to form new plate boundaries

• Auteur / Autrice : Etienne Van Broeck
• Direction : Fanny Garel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : STE-Sciences de la Terre
• Date : Inscription en doctorat le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GM - Géosciences Montpellier

Mots clés

Mots clés libres

Géodynamique de la Terre solide

Plaque tectonique

Rhéologie

Localisation de la déformation

Convection mantellique

Modèlisation numérique

Solid Earth geodynamics

Plate tectonics

Rheology

Deformation localization

Mantle convection

Numerical modelling

Résumé

La théorie de la tectonique des plaques prédit le déplacement relatif entre les plaques lithosphériques, rigides, à la surface de la Terre solide. Cependant, les frontières de plaques déformées, les plaques lithosphériques quasi-rigides, et l'asthénosphère plus déformable en dessous, sont principalement constitués du même matériau : les péridotites, roches du manteau supérieur, elles même principalement composées d'olivines. L'un des plus grand problème, non résolu, en géodynamique est d'expliquer comment le mouvement, le nombre et la taille des plaques évoluent temporellement. Bien que les dernières décennies aient apporté de nombreuses informations sur les forces à l'origine du mouvement des plaques, de nombreuses questions demeurent. Comment et à quelle fréquence se forment des nouvelles frontières de plaques ? Quand est-ce que la tectonique des plaques s'est initiée sur Terre et comment a-t-elle évoluée jusqu'à l'état actuel? Répondre à ces questions requiert une meilleure compréhension de la rhéologie du manteau supérieur. A l'échelle des temps géologiques (> 1Ma), le manteau supérieur à le comportement d'un fluide visqueux, présentant des contrastes des propriétés mécaniques aux frontières de plaques peu résistantes, dans les plaques lithosphériques froides et rigides, ou dans l'asthénosphère chaude et moins rigide. En effet, les lois de fluages expérimentales prédisent que la résistance du manteau devient grande à faible température (<850°C), expliquant la rigidité des plaques. Le projet ANR RheoBreak vise à définir les conditions sous lesquelles le manteau lithosphérique permet une localisation de la déformation en intraplaque, qui est cohérente à la fois avec les lois de fluages à l'échelle cristalline et la dynamique grande échelle. L'hypothèse de recherche est de considérer un comportement de fluide visqueux dérivé des mécanismes de déformation ductile (e.g. fluage dislocation et diffusion) pouvant être, dans des conditions spécifiques, suffisant pour générer une localisation de la déformation nécessaire à une rupture lithosphérique « par en dessous ». L'un des but de la thèse est de définir une gamme de conditions physiques qui conduisent à la localisation, et comment cela s'applique au manteau terrestre et le système de plaque. Le doctorat explorera comment une viscosité non newtonienne, dépendante de la température et de la vitesse de déformation (exposant n>1 pour le fluage dislocation), peut déclencher des boucles de rétroactions rendant possible la localisation de la déformation. Cette approche est motivée par la récente étude sur l'influence de changements mineurs dans la paramétrisation rhéologique des lois de fluage, en particulier du fluage dislocation, sur les divergences dans la dynamique de subduction (Garel et al., EPSL, 2020). Cette thèse utilisera des proxys pour caractériser la façon dont le paramétrage rhéologique peut améliorer ou inhiber la localisation de la déformation intra-plaque. Il développera également des outils permettant de visualiser et quantifier les processus de localisation, et identifier ce qui initie cette localisation dans divers contextes géodynamiques (e.g. Subduction, rift continental, convection mantellique) simulé par des modèles numériques thermomécaniques. Les méthodes comprendront : -traitement des données (code Python) -code éléments finis Fluidity (Davies et al., G3, 2011) doté d'une capacité de maillage auto-adaptatif, permettant une haute résolution spatiale, nécessaire pour modéliser avec précision la localisation de la déformation dans le temps.

The theory of plate tectonics predicts the relative displacement of rigid lithospheric plates at the surface of the solid Earth atop a softer asthenosphere. However, deformed plate boundaries, quasirigid lithospheric plates, and the more deformable asthenosphere underneath, are all mainly made of the same material: upper mantle rock peridotite, itself mostly olivine. One of the largest unresolved issue in geodynamics is explaining how plates motions, plate number and sizes evolve through time. Although recent decades have yielded numerous insights into the forces driving plate motions, several questions remain. These include: (i) How and how often do new plate boundaries form? (ii) When did plate tectonics initiate on Earth and how has it evolved towards the present-day state? Answering these questions requires a better understanding of upper mantle rheology, i.e how it deforms under mechanical stresses. On geological timescales > 1 Myr, the upper mantle behaves as a viscous fluid, exhibiting contrasted properties whether located at weak plate boundaries, in cold stiff lithospheric plates, or in the hot weak asthenospheric mantle underneath. Indeed experimentally-derived flow laws predict that the mantle strength can become very large at relatively low temperatures (<850°C), explaining the plate stiffness. The ANR project RheoBreak aims at defining the conditions under which the viscous lithospheric mantle can experience intraplate deformation localization, matching both crystal-scale flow laws and large-scale dynamics scenarios of plate break-up and of deformation localization. The research hypothesis is that a viscous behavior derived from ductile deformation mechanisms (e.g. dislocation and diffusion creeps) can be, under specific conditions, sufficient to generate the localization of deformation required to break a lithospheric plate “from below”. One of the goals of the PhD is to define the range of physical conditions leading to localization, and how they apply to the Earth's mantle and plate system. The PhD will explore how a non-Newtonian temperature-dependent viscosity (dependent on strainrate - stress exponent n > 1 for dislocation creep) may trigger feedbacks leading to the localization of deformation. This approach is motivated by our recent study discussing how minor changes in the rheological parameterization of dislocation creep may lead to tremendous discrepancies in subduction dynamics (Garel et al., EPSL, 2020). This PhD thesis will derive proxies to characterize how the rheological parameterization may enhance or inhibit deformation localization in plate interiors. It will also build new visualization tools to quantify and analyze the localization process, and identify its triggers in various geodynamical contexts (e.g. subduction, continental rifting, plume, whole-mantle convection) simulated by thermo-mechanical numerical models. The methods will include : - data processing using Python - finite-element code Fluidity (Davies et al., G3, 2011) featuring a self-adaptive meshing ability, hence the high spatial resolution (~100s m) needed to accurately model deformation localization through time.