Convection dans les manteaux planétaires en interaction avec des océans de magma – MaCoMaOc

Les premiers âges de la Terre ont sans doute été marqués par une fusion importante du manteau terrestre suite aux processus très énergétiques de sa formation. Sur la base des observations lunaires, il a été proposé que sur plusieurs centaines de km le manteau supérieur a été entièrement fondu, constituant ainsi ce que l'on appelle un océan de magma. Plus récemment, nous avons proposé qu'un océan de magma dense a aussi existé à la base du manteau terrestre (océan de magma basal) et que des restes de sa lente cristallisation pourraient perdurer à ce jour sous forme de zones partiellement fondue détectée par la sismologie. Le manteau solide est formé par la cristallisation de ces océans de magma, vers le haut et vers le bas. La convection dans le manteau solide de la Terre est le moteur de la tectonique des plaques et les mécanismes qui ont permis la transition entre la dynamique primitive de l'ocean de magma à cette tectonique des plaques sont encore inconnus.
Ce projet s'attache à étudier l'effet sur la dynamique du manteau solide de l'existence d'un océan de magma au dessus et/ou en dessous du solide. La possibilité d'un changement de phase solide/liquide aux surfaces horizontales du manteau change considérablement les conditions limites ressenties par l'écoulement dans le solide : alors que dans la convection classique on applique généralement une condition de vitesse verticale nulle, reflétant le fait que la vitesse verticale de croissance des reliefs est faible par rapport à la vitesse horizontale des plaques, la possibilité de fusion d'un courant vertical arrivant au contact du liquide supprime ce frein au mouvement vertical. Un tel effet a été largement étudié dans le cas de la dynamique de la graine terrestre et nous proposons de considérer l'application des conditions limites de fusion et cristallisation au cas de la dynamique du manteau. Les études préliminaires que nous avons mené montrent que plusieurs effets sont à attendre : la longueur d'onde horizontale des écoulements produits est plus grande que dans le cas classique d'une frontière fermée, les vitesses et le transfert de chaleur sont plus élevées, le démarrage de la convection est facilité. Nous allons étudier ces effets systématiquement en fonction des paramètres principaux du problème : le nombre de Rayleigh (vigueur de la convection), le taux de chauffage interne, la rhéologie, la géométrie (sphérique ou cartésienne, différents rapports d'aspect), les variations d'origine chimique de la densité, et les paramètres régissant le comportement des transitions de phase. À l'aide de plusieurs modèles dynamique prenant en compte ces effets, nous allons spécifiquement étudier le premier retournement du manteau solide durant sa cristallisation, le démarrage de la convection à l'état solide, les régimes développés et leur efficacité pour le transfert de chaleur. Ces résultats permettront de répondre à plusieurs questions cruciales sur la dynamique de la Terre primitive et les différents régimes possibles de convection dans le manteau au cours des âges géologiques.
Le développement de mise à l'échelle pour la structure thermique et le flux de chaleur en fonctions des paramètres d'entrée permettra de construire un modèle d'évolution à long terme de la Terre couplant le noyau, l'océan de magma basal et le manteau solide. Ce modèle aura le potentiel de résoudre le problème de l'évolution thermique de la Terre qui résiste depuis plusieurs décennies grâce à une évolution modérée de la température du manteau solide et un refroidissement important du noyau et de l'océan de magma basal. Enfin, la construction d'un modèle couplant la convection dans le manteau solide avec des frontières mouvantes à l'évolution de l'océan de magma basal et du noyau permettra d'étudier l'évolution à long terme de la dynamique du manteau, la formation de régions chimiquement plus dense à la base du manteau par cristallisation fractionnée de l'océan de magma basal.