Éléments d'anatomie et de physiologie du manteau terrestre : tomographie sismique et convection expérimentale
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The first part of this thesis presents a global map of the lateral heterogeneities in the earth's upper mantle, obtained from the inversion of the velocity anomalies of surface waves. We retrieve the lateral variations of the seismic velocities and of their anisotropy. The results are compared with specific observations on various tectonic provinces from the literature (mid-oceanic ridges, continental shields, mountains, etc. ). Shields appear to be systematically fast for S waves. Several anomalous regions are discovered. It is shown that the amplitude of the anisotropy of seismic velocities is as large as their lateral variations, and that it is necessary to account for this effect when building regional or global seismic models. The second part of this work is an analysis of convection in a fluid whose viscosity is strongly temperature-dependent. The discussion relies on laboratory experiments performed with fluids in which the viscosity varies by up to 105 across the convecting layer. A simple model is proposed, in which convection takes place under a very viscous lid which does not move. The model explains the experimental data and is used to build a realistic scheme for the thermal evolution of the planets. One of the limitations of the model is that it does not explain the 'plate tectonics' regime observed on the earth. Ways are proposed to remedy for that. The conclusion is a synthesis of the results obtained in the first two parts, concerning the 'anatomy' and the 'physiology' of the earth's mantle. We discuss the stratification of convection in the mantle into one or two layers, and we speculate about the origin of 'hot spots'.
Abstract FR:
La première partie de cette thèse présente une cartographie globale des hétérogénéités latérales du manteau supérieur de la Terre obtenue à partir des anomalies de vitesse des ondes de surface. On observe des variations latérales des vitesses des ondes sismiques ainsi que de leur anisotropie. Les résultats obtenus sont comparés aux observations publiées sur des provinces tectoniques spécifiques (dorsales océaniques, boucliers continentaux, montagnes, etc. ). Les boucliers apparaissent comme des régions systématiquement rapides pour les ondes S. Plusieurs zones anormales sont détectées. On montre que l'amplitude de l'anisotropie des ondes sismiques est comparable à celle de leurs variations latérales, et qu'il faut en tenir compte dans l'élaboration de modèles sismiques régionaux ou globaux. La deuxième partie analyse la convection dans un fluide dont la viscosité dépend fortement de la température. La discussion s'appuie sur des expériences réalisées en laboratoire avec des fluides dont la viscosité peut varier d'un facteur 105 à travers la couche en convection. On présente un modèle simple où la convection a lieu sous un couvercle très visqueux pratiquement immobile. Ce modèle rend bien compte des observations expérimentales et permet de construire un schéma réaliste d'évolution thermique des planètes. Une de ses limitations est qu'il n'explique pas le régime en "tectonique des plaques" observé pour la Terre. On aborde quelques façons d'y remédier. La conclusion propose une synthèse des résultats obtenus dans les deux premières parties sur "l'anatomie" et la "physiologie" du manteau terrestre. On y discute de la stratification de la convection mantellique en une ou deux couches, et de l'origine des "points chauds".