Le couplage entre la tectonique des plaques et la convection mantellique est généralement étudié avec des modèles numériques dans lesquels le nombre de plaques est fixé a priori. Nous présentons ici un nouvel outil : le modèle MACMA (MAnteau Convectif Multi-Agents) simule une tectonique variable dans le temps, avec des frontières de plaques mobiles dans une géométrie cylindrique 2D. Les vitesses de plaques sont calculées à partir d'un bilan de forces individuel et des mécanismes explicites sont utilisés pour simuler la dynamique des frontières de plaques, décrivant en particulier l'initiation des subductions, la migration des fosses de subduction, la rupture de lithosphère continentale (ouverture d'un océan) et la suture de plaques. La géométrie et l'état thermique du système sont ainsi mis à jour à chaque pas de temps. Dans notre modèle, le nombre de plaques tectoniques émerge donc naturellement de leur interaction. Cette approche est basée sur des systèmes multi-agents en interaction thermique et mécanique. Notre modèle met en jeu quatre types d'agents : cellules de convection, plaques lithosphériques, continents et frontières de plaques. Ces agents collectent des informations dans leur environnement pour prendre des décisions en fonction de règles de comportement incorporées dans le modèle géophysique. Le développement de cette méthode présente deux objectifs : (1) examiner dans quelle mesure des lois de comportement analytiques et empiriques peuvent affecter la dynamique des plaques, et (2) évaluer l'impact des mécanismes de surface de la tectonique des plaques sur l'évolution thermique du manteau. Nous obtenons des prédictions des forces motrices et des vitesses de plaques de la tectonique qui sont en bon accord avec les observations. De plus, notre modèle met en évidence le rôle clé joué par la distribution des âges du plancher océanique sur les fluctuations de flux de chaleur à la surface du manteau, soulignant ainsi l'importance des changements structurels à l'échelle locale (par exemple, la création d'une nouvelle dorsale océanique). D'autre part, en utilisant dans nos simulations les estimations courantes de la température et de la viscosité du manteau, la configuration actuelle des plaques correspond à une phase de décroissance du flux de chaleur, corroborant ainsi le comportement thermique déduit des reconstructions tectoniques récentes. Sur le long terme, l'histoire thermique terrestre est généralement étudiée à partir de lois d'échelle reliant le flux de chaleur surfacique à la température et à la viscosité du manteau convectif. Cependant, une telle paramétrisation du flux conduit à une divergence de la température dans le passé, quand elle est utilisée dans le bilan thermique global de la planète pour calculer l'état thermique de la Terre en remontant le temps à partir de la valeur actuelle de flux de surface. Afin d'étudier le taux de refroidissement de la Terre en utilisant des processus tectoniques explicites, nous avons mis à profit le faible temps de calcul du modèle MACMA pour étudier l'effet d'un large panel de paramètres physiques sur l'évolution thermique à long terme du système. Pour des paramètres terrestres, un taux de refroidissement moyen de 60 K par milliard d'années est obtenu sur 3 Ga, ce qui respecte les contraintes pétrologiques et rhéologiques dont disposent les géologues, sans pour autant invoquer une tectonique plus lente dans le passé, comme cela est souvent fait pour éviter la catastrophe thermique obtenue par les méthodes classiques de paramétrisation. Deux échelles de temps apparaissent donc dans l'évolution du flux de chaleur : une décroissance monotone sur le long terme (plusieurs milliards d'années) et des fluctuations de forte amplitude à court terme dues aux réarrangements structurels de la tectonique des plaques. Nous montrons que la viscosité du manteau n'est pas un paramètre clé de l'évolution thermique du système. Le taux de refroidissement de la planète dépend principalement de sa capacité à remplacer du plancher océanique vieux et isolant par une lithosphère jeune donc fine. Ainsi, les principaux paramètres de contrôle sont liés aux processus de surface, tels que le seuil de rupture continentale et l'âge critique d'initiation des subductions. Nous déduisons de cette étude que la convection mantellique seule ne peut rendre compte de la complexité du refroidissement du manteau à différentes échelles de temps, et que ce sont les processus tectoniques de surface qui contrôlent l'évolution thermique de la Terre.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:CCSD/oai:tel.archives-ouvertes.fr:tel-00874975 |
| Date | 10 November 2011 |
| Creators | Combes, Manuel |
| Publisher | Université de Bretagne occidentale - Brest |
| Source Sets | CCSD theses-EN-ligne, France |
| Language | fra |
| Detected Language | French |
| Type | PhD thesis |
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