moteur mode emploi plan du site sommaire






Objectif
Préparation
Réalisation
Interprétation


CNRS-Geomanips

Dômes ascendants dans des fluides analogiques représentant en laboratoire un manteau hétérogène, à deux couches.





Objectif
Préparation
Réalisation
Interprétation



Objectif de l'expérience

Une expérience à deux couches  se rapproche-t-elle plus de la réalité qu'une expérience à une seule couche ?

«Le manteau est sans doute fait de plusieurs réservoirs, cela est vraiment imposé par la géochimie. Par contre, on a vraiment l'impression que certaines plaques qui subductent vont jusqu'au fond du manteau. Ceci prouve bien qu'il ne convecte pas en deux couches complètement séparées.

Donc, l'un des buts des expériences est de voir si dans le domaine de paramètres acceptables pour la Terre, on peut effectivement avoir un régime où l'on a bien plusieurs réservoirs, mais avec un mouvement global sur toute l'épaisseur du manteau.

Nous nous intéressons aussi, parallèlement, au mélange qui peut se produire au cours du temps entre les deux couches.»


Anne Davaille a réalisé de très nombreuses expériences en faisant varier les épaisseurs respectives des deux couches, entre autres paramètres. Celle que présente Géomanips modélise une stratification initiale née de la formation de la planète, localisée dans le bas du manteau inférieur.

Nous allons maintenant étudier l'interaction de la convection thermique avec cette stratification en densité et viscosité.




 



 



Objectif
Préparation
Réalisation
Interprétation



Schéma de la cuve expérimentale; analogie avec le manteau


Préparation des produits

Préparation des produits
Dans l'expérience présentée, les fluides sont des solutions aqueuses de sel et de cellulose.

Des concentrations différentes en cellulose permettent d'obtenir des variations de viscosité entre les deux solutions.

Des teneurs différentes en sel permettent de choisir les densités.

Ces deux paramètres peuvent ainsi varier indépendamment, autorisant la réalisation de nombreuses expériences avec des nombres de Rayleigh différents.

 

La solution inférieure, bleue (4,5 cm d'épaisseur), a une densité de 0,998283.

La solution supérieure, incolore (10,5 cm), a une densité de 1,000341.

Rappelons que la densité de l'eau pure à 20°C est de 0,998200.




Remplissage et fermeture de la cuve expérimentale

Mise en place de l'expérience
Le fluide bleu, plus visqueux, plus dense, est d'abord déposé dans la cuve. La couche mesure 4,5 cm. On le laisse dégazer pendant une nuit. En effet, de petites bulles se sont formées pendant un processus de polymérisation.

Ensuite, le fluide incolore est déposé délicatement sur la couche bleue. Cette couche est épaisse de 10,5 cm.

La cuve est hermétiquement fermée. À la base et en haut, les fluides analogues du manteau sont au contact de deux plaques de cuivre dans lesquelles circulent des fluides dont la température est régulée. La plaque inférieure reste à 52°C, la plaque supérieure à 2°C.

Deux cannes sont installées dans la cuve. Elles contiennent chacune 14 thermocouples qui permettent de mesurer toutes les 30 secondes les températures et d'enregistrer la structure thermique à l'intérieur de la cuve. Des enregistrements vidéo sont également réalisés.

Cette expérience ne nécessite pas de dispositif de visualisation tel que celui employé dans l'expérience précédente.




 



 



Objectif
Préparation
Réalisation
Interprétation



L'expérience à deux couches


Observations sur l'expérience à deux couches

Pouvez-vous commenter vos observations ?
«Je vous rappelle que l'on refroidit par le dessus et que l'on chauffe par le dessous. Les premiers mouvements convectifs à se développer sont ces petits panaches froids issus de la couche limite thermique supérieure (la moins visqueuse), puis nous avons le démarrage du grand mode de convection des deux couches. La couche bleue, qui était la plus dense, est maintenant suffisamment chaude par rapport à la couche supérieure pour être plus légère et nous avons ce mouvement à grande échelle.

Arrivés en haut, les panaches bleus, chauds, mais aussi intrinsèquement plus denses, sont refroidis et donc retombent sur eux-mêmes.

Donc on reconstitue les deux couches, puis un nouveau cycle peut commencer. À chaque fois que l'on reconstitue les deux couches, on constate qu'il y a eu mélange entre les deux fluides (la couleur n'est plus exactement la même) et on a aussi une couche bleue plus épaisse. Chacun de ces dômes correspond à une hétérogénéité de température chaude que l'on enregistre très bien sur les thermocouples. On a l'impression que tout est mélangé, mais les fluctuations de températures montrent le mélange sur un temps beaucoup plus long.

L'expérience se termine sur une image toute bleue : à l'échelle de ce que peut résoudre notre oil, les hétérogénéités sont très fines. En revanche, les mesures de températures les détectent.»

 


De petits panaches dans la couche supérieure sont identiques à ceux que l'on a vus dans l'expérience à une seule couche : plus froids, plus denses, ils descendent à partir de l'interface supérieure à 2°C. Ils vont perdurer pendant toute l'expérience et même lorsque le fluide sera homogène.

 

De grandes structures en dômes se développent et pulsent au cours du temps, reconstituant au début les deux couches, puis provoquant un mélange entre les fluides disposés initialement en deux couches superposées.

 

Les enregistrements de température sont beaucoup plus précis que les données visuelles. C'est un des grands intérêts du dispositif adopté : les thermocouples détectent encore des hétérogénéités de température lorsque tout semble mélangé (l'ensemble du contenu de la cuve est alors bleu).




 



 



Objectif
Préparation
Réalisation
Interprétation


 

Les fluides utilisés pour l'expérience à deux couches avaient un nombre de Rayleigh moyen absolument comparable à celui de l'expérience à une seule couche, l'intensité de la convection est donc comparable ; cependant les résultats sont différents.

Anne Davaille obtient deux informations. L'une est l'importance des hétérogénéités de température dans ce type de convection, l'autre est la cyclicité des mouvements. Les mouvements montants sont associés à des surcroîts de chaleur qui fluctuent dans le temps.

Les instabilités tendent à détruire progressivement la stratification par le brassage qu'elles engendrent. Ainsi, une expérience commencée dans un régime stratifié a évolué vers un régime en dômes, pour finir dans un modèle à une seule couche.
A l'échelle de la Terre, la cyclicité des oscillations serait de 100 à 200 millions d'années.



Interprétation de l'expérience à deux couches


Modélisation du régime actuel des mouvements ascendants dans le manteau


Images récentes de tomographie à comparer aux résultats de l'expérience à deux couches

Peut-on rapprocher les structures que vous observez dans vos expériences de celles que détecte la tomographie sismique dans le manteau actuel ?
«Immédiatement on a deux échelles de convection. D'un côté les petits panaches que l'on a vus dans l'expérience à une couche, que l'on voit au début et qui vont perdurer pendant tout l'expérience ; ils sont donc typiques de la convection dans une seule couche. Et puis aussi les grandes structures en dômes que nous avons vues, ces dômes qui pulsent au cours du temps et qui se mélangent.

Donc en fait, ces grandes structures me paraissent comparables à ce que l'on peut voir sur Terre, en particulier quand on songe aux fameux superswells , ces bombements, qui s'étendent sur plusieurs milliers de kilomètres, sous le Pacifique, sous la Polynésie Française et sous l'Afrique. Je pense que ces dômes en sont une bonne explication. D'autant plus que, encore une fois, les lois d'échelles que nous avons tirées de toutes ces expériences de laboratoire, lorsque nous les extrapolons à la Terre, nous donnent les bons ordres de grandeur quant à la taille, quant à la périodicité de ces dômes, quant aux variations de température auxquelles ils sont associés. Et aussi quant aux mélanges : le superswell polynésien donne en surface des laves qui sont très diversifiées et vous avez vu dans l'expérience qu'au bout de quelques cycles ces fameux dômes sont des agglomérats de toutes sortes de fluides de compositions différentes. C'est un bon moyen d'expliquer la diversité des laves émises sur le superswell polynésien entre autres.»


Bien que le modèle de laboratoire soit simplifié par rapport à la réalité du manteau terrestre, il donne de bons indices sur son comportement.

De nombreuses expériences ont été réalisées en variant les différents paramètres (nombre de Rayleigh, contraste de densité, de viscosité, épaisseurs relatives des couches…), ce qui a permis de constituer un diagramme des différents régimes (dômes comme décrits ici, ou convection stratifiée et panaches ancrés pour des contrastes de densité plus importants) et d'établir des lois d'échelle, et donc des prédictions, pour les différentes signatures de cette convection «thermochimique» (c'est-à-dire due à la fois à la température et aux différences de pétrographie qui induisent des différences de densité, de viscosité).

 

Ainsi, les dômes mesureraient dans la nature de 1 000 à 4 000km et oscilleraient avec une période 100-200 millions d'années. Leur arrivée à la surface du manteau déclencherait des épisodes volcaniques tels ceux qui engendrèrent les Traps du Deccan.

Si on extrapole les temps de mélanges à partir de cette expérience (deux couches qui se sont organisées en dômes), il faut faudrait au moins 2 milliards d'années pour parvenir à une homogénéisation complète.

Mais on ne connaît pas l'état initial réel de la Terre. On peut penser que l'accrétion de corps variés qui forma la jeune planète Terre, puis la ségrégation du noyau, engendrèrent des différences de composition et donc un état initial stratifié. La convection aurait pu commencer en deux couches superposées avec un lent mélange à l'interface qui réduisit, au cours des milliards d'années, les différences de densité. Le manteau serait aujourd'hui dans le régime dôme.

Les dômes bleus de l'expérience correspondraient aux dômes détectés par la tomographie_sismique sous les superswells (élévations topographiques larges de 1000 à 4000km sous l'Afrique et la Polynésie). Des «filaments», plus que des «réservoirs», se forment au cours de ce mélange mécanique ; leur dimension serait de l'ordre de la dizaine de kilomètres. Ceci expliquerait la grande diversité dans la composition chimique fine des laves qui est détectée par les géochimistes.


Schéma synthétique des mouvements ascendants et descendants

Couplage de la tomographie sismique et des expériences

L'expérience à deux couches qui fait intervenir des hétérogénéités dans la convection permet donc d'envisager une convection mantellique hybride avec des courants descendants froids, bidimensionnels, accompagnant la subduction des plaques très visqueuses et une grande variété des mouvements montants tridimensionnels, instabilités chaudes résultant de la convection dans un manteau hétérogène ; les gros dômes pouvant donner naissance à des essaims de panaches secondaires (comme en Polynésie).

Le caractère très chaotique d'un tel système expliquerait que des événements géologiques (telles les énormes éruptions volcaniques) soient épisodiques, comme il explique les mélanges géochimiques détectés par les compositions des laves.

 

 




 





CNRS-Geomanips