Dynamique interne des planètes telluriques et observables géophysiques de surface François...

Dynamique interne des planètes telluriquesDynamique interne des planètes telluriqueset observables géophysiques de surfaceet observables géophysiques de surface

François COUTURIER

Laboratoire de Planétologie et GéodynamiqueUMR CNRS 6112 - Université de Nantes

Soutenance de Doctorat27 avril 2007

Directeur de thèse : Christophe SOTINCo-encadrant : Gaël CHOBLET

IntroductionIntroduction

- caractéristiques des corps telluriques- caractéristiques des corps telluriques- problématique- problématique

La planète MarsLa planète Mars

- lignes de rivage / océan- lignes de rivage / océan- hypsométrie- hypsométrie

Topographie dynamique et GéoïdeTopographie dynamique et Géoïde

- méthode spectrale- méthode spectrale- code convection 3D sph.- code convection 3D sph.- premiers résultats- premiers résultats

Conclusions & PerspectivesConclusions & Perspectives

Les corps telluriquesLes corps telluriquesLes corps telluriquesLes corps telluriques

Planètes

Satellites de glace

ProblématiqueProblématique

MarsMars

- lignes de rivagelignes de rivage- océanocéan- hypsométrie- hypsométrie

Topographie & GéoïdeTopographie & Géoïde

- méthode spectrale- méthode spectrale- convection 3D sph.convection 3D sph.- premiers résultats- premiers résultats

ConclusionsConclusions

PerspectivesPerspectives

MarsMars

Pourquoi ?Pourquoi ?Pourquoi ?Pourquoi ?IntroductionIntroduction

MarsMars

- Pas de données sismiques disponibles- Pas de données sismiques disponibles

- Étude des relations Topographie / Gravité - Étude des relations Topographie / Gravité (e.g Wieczorek, 2007)(e.g Wieczorek, 2007)

La planète MarsLa planète MarsLa planète MarsLa planète MarsTharsis Dichotomie

MarsMars

Activité hydrologiqueActivité hydrologiqueActivité hydrologiqueActivité hydrologiqueIntroductionIntroduction

MarsMars

Études Études géomorphologiquesgéomorphologiquesÉtudes Études géomorphologiquesgéomorphologiques

Clifford et Parker, 2001Webb, 2004

MarsMars

Lignes de rivageLignes de rivageLignes de rivageLignes de rivageIntroductionIntroduction

MarsMars

DeuteronilusDeuteronilusDeuteronilusDeuteronilus

Amazonis Planitia

Alba Patera Utopia Planitia

Chryse Planitia

Isidis Planitia

MarsMars

- Ligne de rivage = potentiel constant

- U Deuteronilus

Potentiel de pesanteurPotentiel de pesanteurPotentiel de pesanteurPotentiel de pesanteurIntroductionIntroduction

MarsMars

Variations du potentiel de pesanteurVariations du potentiel de pesanteurVariations du potentiel de pesanteurVariations du potentiel de pesanteurIntroductionIntroduction

MarsMars

- Tharsis > déformation de Mars

- Chronologie :

- Deuteronilus

- Tharsis

ÉÉtudes spectrométriquestudes spectrométriquesÉÉtudes spectrométriquestudes spectrométriques

Phyllosilicates Sulfates Mnx hyd.

MarsMars

Bibring et al., 2006

Chronologie :

Noachien inf. : océan sur Mars / formation de Deuteronilus

Noachien sup. : volcanisme intense (Tharsis)

- forme tri-axiale de Mars / déformation Deuteronilus

ÉÉtudes spectrométriquestudes spectrométriquesÉÉtudes spectrométriquestudes spectrométriquesIntroductionIntroduction

MarsMars

Limites géographiques de l’océanLimites géographiques de l’océanLimites géographiques de l’océanLimites géographiques de l’océanIntroductionIntroduction

MarsMars

PerspectivesPerspectives - Surface : 15% Mars

- Volume : 75% Oc. Arctique

- Hydratation : 0,003 % Mars

0,023 % Terre

HypsométrieHypsométrieHypsométrieHypsométrieIntroductionIntroduction

MarsMars

- lignes de rivagelignes de rivage- océanocéan- - hypsométriehypsométrie

MarsMars

- Distribution d’élévation f(S)- Distribution d’élévation f(S)

- % surface / tranche d’élévation- % surface / tranche d’élévation

- effet de charge des océans

Hypsométrie - MarsHypsométrie - MarsHypsométrie - MarsHypsométrie - Mars

Topographie (°2-90)Topographie (°2-90)

Topographie (°1-90)Topographie (°1-90)

MarsMars

Hypsométrie cumulée - TerreHypsométrie cumulée - TerreHypsométrie cumulée - TerreHypsométrie cumulée - TerreIntroductionIntroduction

MarsMars

- Sommation % surface de chaque tranche d’élévationSommation % surface de chaque tranche d’élévation

- Élévation décroissante Élévation décroissante

Head et al, 1999

Hypsométrie cumulée - MarsHypsométrie cumulée - MarsHypsométrie cumulée - MarsHypsométrie cumulée - MarsIntroductionIntroduction

MarsMars

- 35% surface Mars

- Tectonique des plaques ?

- Isostasie / subsidence thermique ?

Planètes telluriques - Satellites de glacePlanètes telluriques - Satellites de glace

Relation convection / gravimétrieRelation convection / gravimétrieRelation convection / gravimétrieRelation convection / gravimétrie

Sotin et al., 2002

MarsMars

Convection thermique

Données spatiales

Méthode spectrale (T&N)

MéthodologieMéthodologieMéthodologieMéthodologieIntroductionIntroduction

MarsMars

Anomalies thermiques

- forces de flottabilité- flux mantellique -> contrainte- déformation frontières

-> évolution géoïde

Topographie dynamique et GéoïdeTopographie dynamique et GéoïdeTopographie dynamique et GéoïdeTopographie dynamique et GéoïdeIntroductionIntroduction

MarsMars

Adimensionnement de la topographieAdimensionnement de la topographieAdimensionnement de la topographieAdimensionnement de la topographieIntroductionIntroduction

MarsMars

Adimensionnement du géoïdeAdimensionnement du géoïdeAdimensionnement du géoïdeAdimensionnement du géoïdeIntroductionIntroduction

MarsMars

Valeur min de S : manteau Si fin

Valeur min de Gr : croûte glace fine

Valeur max de S : croûte glace épaisse

Valeur max de Gr : manteau Si épais

AdimensionnementAdimensionnementAdimensionnementAdimensionnementIntroductionIntroduction

MarsMars

Conservation quantité de mouvement (Navier - Stokes)

Conservation de la masse

Conservation de l’énergie

Équations de la mécanique des fluidesÉquations de la mécanique des fluidesÉquations de la mécanique des fluidesÉquations de la mécanique des fluidesIntroductionIntroduction

MarsMars

Équations adimensionnéesÉquations adimensionnéesÉquations adimensionnéesÉquations adimensionnéesIntroductionIntroduction

MarsMars

Grille classique long./lat.

Singularité aux pôles

Termes non bornés

Grille non régulière

Maillage du domaine (1)Maillage du domaine (1)Maillage du domaine (1)Maillage du domaine (1)IntroductionIntroduction

MarsMars

Système de coordonnées de la sphère cubique

► 6 blocs géométriquement identiques

►Système de coordonnées non orthogonales

Projection de chaque face du cube circonscrit sur la sphère

(Méthode des Grands Cercles)

MarsMars

> Aucune singularité

> Grille quasi-uniforme

> Passage d’un bloc à l’autre par simple rotation

> Discrétisation limitée à un seul bloc

Système de coordonnées de la sphère cubique

MarsMars

Interface

Programmation Fortran

Outil de parallélisation

Bibliothèque MPI

Programmation parallèleProgrammation parallèleProgrammation parallèleProgrammation parallèle

CINESCCIPL

MarsMars

Valeurs des paramètresValeurs des paramètresValeurs des paramètresValeurs des paramètres

Loi de viscosité µ=exp(-avis T)

Contraste de µ 2.103 – 3.106 (8 – 15)

Rapport d’aspect f=0,5

Rayleigh interne 2.103 – 6.107

Chauffage interne 10

MarsMars

Ra avis h

1 1d7 - -

2 3d3 8 -

3 1d3 15 -

4 1d3 15 10

Topographie dynamique et géoïdeTopographie dynamique et géoïdeViscosité constante Viscosité constante (Ra=1d7, avis=0)

Champ de T°Champ de T°

MarsMars

GGÉÉOOÏÏDEDE

TOPOGRAPHIETOPOGRAPHIE

Topographie dynamique et géoïdeTopographie dynamique et géoïdeViscosité constante Viscosité constante (Ra=1d7, avis=0)

MarsMars

Topographie dynamique et géoïdeTopographie dynamique et géoïdeViscosité f(T) Viscosité f(T) (Ra=3d3, avis=8)

GGÉÉOOÏÏDEDE

MarsMars

Topographie dynamique et géoïdeTopographie dynamique et géoïdeViscosité f(T) Viscosité f(T) (Ra=1d3, avis=15)

MarsMars

GGÉÉOOÏÏDEDE

Topographie dynamique et géoïdeTopographie dynamique et géoïdeViscosité f(T) + chffge Viscosité f(T) + chffge (Ra=1d3, avis=15, h=10)

MarsMars

GGÉÉOOÏÏDEDE

1d7_0 3d3_8

1d3_15 1d3_15_10

MarsMars

Spectres de puissanceSpectres de puissanceSpectres de puissanceSpectres de puissance

MarsMars

Similarités avec VénusSimilarités avec VénusSimilarités avec VénusSimilarités avec Vénus

(Ra=1d3, avis=15, h=10)

TOPOGRAPHIE GTOPOGRAPHIE GÉÉOOÏÏDEDE

MarsMars

Similarités avec VénusSimilarités avec VénusSimilarités avec VénusSimilarités avec Vénus

ConclusionsConclusionsConclusionsConclusionsIntroductionIntroduction

MarsMars

- Corrélation entre champ de T° et géométrie T & N

- viscosité variable ↔ long. d’onde

- chauffage interne ↔ long. d’onde

CONCLUSIONSCONCLUSIONSCONCLUSIONSCONCLUSIONS

MarsMars

- Enregistrement de la déformation au Noachien sup.Enregistrement de la déformation au Noachien sup.

- Isostasie thermique ?Isostasie thermique ?

Topographie dynamique et géoïdeTopographie dynamique et géoïde - Nouvel outil Nouvel outil

- modélisation convection th. en domaine 3D sph.modélisation convection th. en domaine 3D sph.- méthode spectraleméthode spectrale

- Résultats préliminairesRésultats préliminaires- effet viscositéeffet viscosité- effet heffet h

MarsMars

PERSPECTIVESPERSPECTIVESPERSPECTIVESPERSPECTIVES

Évolution de la forme de MarsÉvolution de la forme de Mars

- Quantifier la déformationQuantifier la déformation

- Basculement axe de rotationBasculement axe de rotation

Topographie dynamique et géoïdeTopographie dynamique et géoïde - Loi de viscositéLoi de viscosité

- Rhéologie :- Rhéologie :- lithosphère élastique- lithosphère élastique- visco-élasticité (réponse temporelle)- visco-élasticité (réponse temporelle)

MarsMars

Hypsométrie cumuléeHypsométrie cumuléeHypsométrie cumuléeHypsométrie cumuléeIntroductionIntroduction

MarsMars

Oldenburg (1975)AgeD .Modèle de refroidissement ½ espace

- Relation linéaire D & Relation linéaire D & âgeâge

> Relation linéaire D & > Relation linéaire D & S cumuléeS cumulée

Cogné & Humler

Conditions aux limites

Bords libres à la CMBBords rigides à la surface (vitesse fixée et nulle)

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