Convection multi-échelles dans un Manteau dont la viscosité dépend de la température

E. Tric ...................... Rapporteur J. Sommeria .................. Rapporteur M. Cannat .................... Examinatrice M. Greff ..................... Examinatrice E. Debayle ................... Examinateur A. Davaille .................. Directrice de Thèse Résumé: L'existence simultanée de plusieurs échelles de convection dans le Manteau, générant des points chauds, des zones de subduction et des dorsales océaniques, reste toujours inexpliquée. La rhéologie du Manteau, qui au premier ordre dépend de la température, pourrait en être la cause. Cette thèse étudie à l'aide d'expériences de laboratoire les caractéristiques de la convection de Rayleigh-Bénard dans un fluide (sirop de sucre) dont la viscosité dépend fortement de la température. Grâce au développement de techniques de visualisation des champs de température et de vitesse, nous avons pu établir un diagramme des régimes de convection en fonction des nombres de Rayleigh calculés à partir des viscosités locales du fluide à la température de chacune des bornes du système. Suivant les valeurs de ces deux nombres, le fluide aura localement un motif convectif différent dans ses parties chaudes et froides, chaque motif étant similaire à celui obtenu dans le cas isovisqueux. Ainsi dans la gamme de paramètres valable pour le Manteau, nous avons constaté que l'écoulement était constitué d'une grande échelle froide entourant plusieurs panaches chauds. Ces panaches impactent la couche limite froide et délaminent sa partie mobile générant ainsi autour d'eux des instabilités froides secondaires qui n'atteignent pas le bas de la cuve. L'application de ces résultats au Manteau nous a permis de montrer que la circulation froide à grande échelle dans le Manteau constituée de plaques plongeantes froides délimitant deux boîtes dans lesquelles plusieurs chauds se développent est en fait dû à la forte dépendance en température de la viscosité du matériau terrestre. À plus petite échelle, nos expériences permettent de prédire que si un panache est recoupé par une dorsale océanique, la croûte produite à la ride devrait être plus épaisse que la normale sur la zone d'impact mais anormalement fine sur le pourtour du panache. Abstract: The simultaneous existence of several scales of convection, generating hotspots, subduction zones and mid ocean ridges, is still unexplained. The mantle's rheology which depends strongly upon temperature could be the reason. This thesis studies using laboratory experiments the characteristics of Rayleigh-Bénard convection in a fluid with a temperature-dependent viscosity. Owing to the development of visualisation techniques of temperature and velocity fields, we established the convective regime diagram as a function of the Rayleigh numbers calculated with the local viscosities of the fluid at the temperature of the borders of the system. Depending on the values of these two numbers, the convective pattern will be different in the hot and cold parts, each pattern being similar to the one obtained in the isoviscous case. In the Mantle's parameter range, the flow would be made up of large cold cells each surrounding several hot plumes. These plumes impact the cold thermal boundary and delaminate its mobile part generating secondary cold instabilities which do not reach the bottom of the tank. The multiple scales of convection observed in the Earth's mantle could therefore be mainly explained by the strong temperature-dependence of the terrestrial material. At smaller scale, our experiments predict that if a plume intersects a ridge, the producted crust should be thicker than normal on the impact zone but abnormally thin on the surrounding area.