Mécanismes de formation et de croissance des cheminées hydrothermales

Formation and growth mechanisms of hydrothermal chimneys

• Auteur / Autrice : Cyprien Vermelle
• Direction : Arnaud Antkowiak
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)

Mots clés

Mots clés libres

Hydrodynamique

Fluides réactifs

Cheminées hydrothermales

Hydrothermal chimneys

Reactive fluids

Hydrodynamics

Résumé

Les cheminées hydrothermales sont des édifices massifs (jusqu'à 70m de haut) présents dans certaines régions du plancher océaniques et actifs depuis au moins 100000 ans. Pièges naturels à CO2, elles abritent un écosystème extrême unique souvent considéré comme très proche des premières formes de vie sur Terre. Néanmoins les mécanismes de formation de ces cheminées sont encore mal connus, et les observations in situ (~3000m de fond) sont difficiles. La croissance des cheminées est intimement liée aux écoulements de fluide s'échappant de la chambre hydrothermale : le fluide précipite au contact de l'eau de mer, créant une nouvelle géométrie impactant en retour l'écoulement. Si ce couplage entre écoulement de fluide réactif et paroi minérale évolutive est connu comme la brique élémentaire de formation des cheminées, les questions portant sur la hauteur limite des cheminées, leur géométrie interne ou le rôle de catalyse de l'activité biologique dans leur formation restent entière. Grâce à des expériences de laboratoires appuyées par une modélisation hydrodynamique fine, nous proposons dans ce projet de thèse de révéler les mécanismes de croissance des cheminées hydrothermales, en élucidant les interactions entre l'écoulement d'un fluide réactif pouvant précipiter et la géométrie de la cheminée en constante évolution. L'étudiant•e évoluera au sein d'une équipe multidisciplinaire composée de géophysiciens, géobiologistes, géochimistes et hydrodynamiciens et bénéficiera de cette expertise combinée pour étudier finement les couplages hydrodynamique-croissance, la microstructure des cheminées et leur composition chimique. Un pan spécifique de l'étude sera dédié au rôle de la bioactivité dans la formation de ces structures. Enfin, un travail sur la mise à l'échelle des résultats de laboratoire au contexte des champs de cheminées hydrothermales permettra d'apporter un éclairage inédit sur ces structures géologiques.

Hydrothermal vents are massive structures (up to 70 m high) present in some regions of the ocean floor and active for at least 100,000 years. Natural traps for carbon dioxyde, they shelter a unique extreme ecosystem often considered as very close to the first life forms on Earth. Nevertheless the mechanisms of formation of these vents are still poorly understood, and in situ observations (~3000m depth) are difficult. The growth of the chimneys is intimately linked to the fluid flows escaping from the hydrothermal chamber: the fluid induces a precipitation when contacting with the sea water, creating a new geometry impacting the flow as a result. If this coupling between reactive fluid flow and evolving mineral wall is known as the elementary brick of chimney formation, questions about the limiting height of chimneys, their internal geometry or the catalytic role of biological activity in their formation remain unsolved. Thanks to laboratory experiments supported by a fine hydrodynamic modeling, we propose in this PhD project to reveal the mechanisms of hydrothermal vent growth by elucidating the interactions between a flowing reactive fluid able to precipitate and the constantly evolving chimney shape. The student will be part of a multidisciplinary team composed of geophysicists, geobiologists, geochemists and hydrodynamicists and will benefit from this combined expertise to study in detail the couplings between hydrodynamics and growth, the microstructure of the chimneys formed and their chemical composition. A specific part of the study will be dedicated to the role of bioactivity in the chimney formation process. Finally, a work on the upscaling of laboratory results to the context of hydrothermal vent fields will allow to bring new insights on these geological structures.