| Resumé |
Au cours de sa formation, il y a environ 4.5 Ga, la Terre a subi de nombreux impacts de planétésimaux. L'énergie associée à ces impacts, ainsi qu'à la désintégration d'éléments radioactifs et à la formation du noyau, a entraîné un réchauffement suffisant pour former au moins un océan magmatique global dans le manteau terrestre. Ces dernières années, des hétérogénéités géochimiques provenant de systèmes isotopiques à courte durée de vie ont été observées dans plusieurs points chauds. Ces anomalies isotopiques suggèrent que des hétérogénéités ont été préservées durant l'océan de magma et aussi le manteau solide. L'efficacité du mélange dans le manteau solide a été quantifié précédemment, mais le mélange convectif dans un océan magmatique n'a jamais été quantifié. Un océan magmatique terrestre est caractérisé par une faible viscosité et des conditions extrêmes, conduisant à des mouvements convectifs turbulents intenses. Le but de cette thèse est de caractériser l'efficacité du mélange convectif se produisant pendant la période courte mais intense de l'océan de magma au début de l'histoire de la Terre, et de contraindre les conditions de préservation des hétérogénéités. Pour ce faire, nous avons effectué des simulations numériques de convection dans une coquille sphérique 3D en rotation avec des effets d'inertie et nous avons calculé des exposants de Lyapunov à temps fini (le taux de déformation Lagrangien) le long des trajectoires de traceurs passifs. Cela nous a permis : (i) de quantifier l'efficacité du mélange de l'écoulement, (ii) d'identifier les sources de brassage, (iii) de prédire la durée de vie des hétérogénéités passives. Comme l'océan de magma est soumis à une convection intense, nous avons d'abord simuler un écoulement dominé par les mouvements convectifs. Nous avons dérivé des lois d'échelle pour l'efficacité du mélange et les avons appliquées à des conditions pertinentes pour un océan de magma terrestre. Le brassage de l'océan de magma conduit à des durées de vie d'hétérogénéités passives plusieurs ordres de grandeur plus courtes que la durée de vie d'un océan de magma. Les processus de mélange sont extrêmement efficaces et les hétérogénéités isotopiques datant de l'océan de magma ne peuvent pas être préservées. La survie des hétérogénéités isotopiques précoces implique donc qu'elles ont été stockées ailleurs dans la Terre profonde ou qu'elles se sont formées après la cristallisation de l'océan de magma. Pendant la période d'accrétion, la Terre tournait plus vite qu'aujourd'hui. Combinée à la faible viscosité de l'océan magmatique, la rotation aurait pu avoir des effets importants sur l'écoulement. Nous avons effectué des simulations de convection influencée par la rotation. La dynamique diffère profondément du régime dominé par la convection. L'écoulement s'organise en régions colonnaire parallèles à l'axe de rotation avec des circulations et un brassage distincts. Seule une région située autour de la partie extérieure de l'équateur conduisait à des temps de mélange supérieurs à un jour, et pouvait potentiellement préserver les hétérogénéités. Nous avons développé un modèle de refroidissement 1D pour cette région et en utilisant des lois d'échelle pour le transfert de chaleur dans ce régime, nous avons trouvé que des cristaux pouvaient commencer à se former avant que les hétérogénéités ne soient mélangées pour une large gamme de conditions caractéristiques d'un océan de magma terrestre.Cela suggère qu'en dépit du mélange de l'océan de magma, des hétérogénéités pourraient être préservées et ainsi former des réservoirs primordiaux contenant des anomalies de systèmes isotopiques à courte durée de vie. Confronté aux observations géochimiques d'hétérogénéités précoces dans les laves modernes, cela donne de nouvelles indications sur leur préservation pendant la période de l'océan de magma primordial, et sur leur évolution pendant la longue phase du manteau solide. |