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Courants descendants et courants montants
Géomanips a rencontré le chercheur
Conception d'une expérience



CNRS-Geomanips

Chercheurs et ingénieurs coopèrent à l'Institut de Physique du Globe de Paris : Anne Davaille et Catherine Carbonne préparent une modélisation de la convection du manteau terrestre.





Courants descendants et courants montants
Géomanips a rencontré le chercheur
Conception d'une expérience



Laboratoire d'expérimentations

Au Laboratoire de dynamique des systèmes géologiques de l'Institut de Physique du Globe de Paris, les équipes de recherche conjuguent les approches de terrain avec les manipulations analogiques et la théorie pour modéliser les mouvements terrestres, depuis ceux qui concernent les volcans jusqu'à ceux qui brassent le manteau à grande échelle.

Des expériences anciennes avaient déjà permis de modéliser une convection de premier ordre avec des courants descendants qui accompagnent la descente des matériaux froids des zones de subduction. Les matériaux chauds animés de mouvements montants sont beaucoup moins visqueux que les plaques froides qui descendent, aussi ces mouvements montants sont-ils complexes. Parallèlement, on se demande encore si cette convection se fait en une ou deux couches.

 

Géomanips va suivre des travaux s'intéressant aux courants montants.

 

Les chercheurs souhaitent aussi comprendre la physique des processus de mélange dans le manteau pour interpréter les données géochimiques obtenues par analyses de laves provenant de réservoirs différents. On en sait actuellement très peu sur ces mélanges qui se produisent depuis la formation de notre planète et qui sont dus aux mouvements de matières nés de la convection.



 



 



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Conception d'une expérience



La convection, Archimède et Rayleigh


Quand un panache monte : les forces en jeu

Anne Davaille, directrice de recherche au CNRS, spécialiste en mécanique des fluides, conçoit et réalise des expériences de laboratoire.
«Nous cherchons à comprendre la physique des mouvements dans la Terre. Pour cela, nous isolons des phénomènes physiques simples comme, par exemple, la convection et nous construisons des modèles réduits en laboratoire, avec des conditions bien contrôlées.
La convection proprement dite ce sont les mouvements qui sont générés, par exemple, quand on chauffe un fluide par le bas et qu'on le refroidit par le haut. La matière chaude est plus légère et a donc tendance à s'élever, comme de la fumée ; la matière froide, plus lourde, a elle tendance à couler. Ces sont ces mouvements qui se produisent à grande échelle dans le manteau terrestre et qui sont par exemple responsables de la tectonique des plaques que nous cherchons à modéliser en laboratoire.
Le processus de convection est assez compliqué. la matière s'élève en raison de la force d'Archimède : c'est le moteur, mais cette force d'Archimède va se heurter à deux effets diffusifs : la résistance visqueuse du fluide (les frottements visqueux) et la diffusion de la chaleur puisque au fur et à mesure qu'une goutte de fluide s'élève, elle va diffuser sa chaleur à l'extérieur, donc elle va perdre son moteur. Pour qu'il y ait convection, il faut que la force d'Archimède arrive à contrebalancer les deux autres effets.

Cela nous donne un premier paramètre, très important pour la convection, qui s'appelle le nombre de Rayleigh. Il mesure le rapport entre la force motrice, la force d'Archimède et les deux effets résistants».





Divers types de convection


Géométrie des cellules de convection selon le nombre de Rayleigh

À quoi ressemble cette convection dans un fluide ?
«En fonction de ce nombre de Rayleigh, la convection s'organise de différentes façons.

À faible nombre de Rayleigh, donc quand la force d'Archimède contrebalance tout juste les effets dissipatifs, les mouvements sont lents et s'arrangent en rouleaux qui sont stationnaires dans le temps.

Quand le nombre de Rayleigh augmente, l'intensité de la convection est un peu plus grande, on a des cellules tridimensionnelles, très souvent des hexagones.

Puis cela commence à se désorganiser un petit peu quand l'intensité de la convection est encore plus forte. La géométrie des hexagones, des cellules, varie dans le temps.

Pour des nombres de Rayleigh encore plus importants, de l'ordre de 106, ce qui correspond à peu près à 1000 fois le seuil critique de convection, on a une convection en panache.

Si le manteau terrestre était un fluide homogène, son nombre de Rayleigh caractéristique de la convection serait sans doute supérieur à 106, ce qui veut dire que nous devrions n'observer que des signatures en panaches en surface. Cela ne peut pas se réconcilier entièrement avec la tectonique des plaques sur la surface terrestre. C'est pour cela qu'il nous reste beaucoup de choses à faire pour comprendre cette convection.»

 


 

Consultez le site pédagogique de Planet-Terre !

 


Et pour la Terre ?
«Actuellement, le cas où le fluide est homogène et où ses propriétés physiques, viscosité, diffusibilité thermique sont constantes, est bien connu.

Mais on sait que dans le manteau terrestre, ce n'est pas aussi simple. Par exemple, la viscosité dépend très fortement de la température. Nous savons aussi que le manteau terrestre est probablement hétérogène. Donc nous avons cherché à comprendre ce que ces effets plus compliqués pouvaient changer à la géométrie de la convection ou à son intensité.»

 




 



 



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Aux échelles des temps géologiques, sur des millions d'années, le manteau flue, s'écoule. Comme le chercheur ne dispose pas de millions d'années pour travailler en laboratoire, il utilise des matériaux analogiques. Un bon analogue des laves ou du manteau donnera des indications, à l'échelle de temps de la minute ou de l'heure, sur ce qui se passe pendant des millions d'années dans la Terre. 

 

Deux types d'expériences sont présentés dans Géomanips, mettant en ouvre sirop de sucre, solutions de sel et de cellulose.

 

Une première expérience montrera la convection thermique dans un fluide qui a, comme le manteau terrestre, un nombre de Rayleigh élevé.

 

Une seconde expérience étudiera l'interaction de cette convection avec une stratification en densité et viscosité.

 




 




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