Dynamique interne des planètes telluriques et observables géophysiques de surface François COUTURIER Laboratoire de Planétologie et Géodynamique UMR CNRS

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








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








MarsMars






Activité hydrologiqueActivité hydrologiqueActivité hydrologiqueActivité hydrologiqueIntroductionIntroduction


MarsMars








MarsMars






Études Études géomorphologiquesgéomorphologiquesÉtudes Études géomorphologiquesgéomorphologiques

Clifford et Parker, 2001Webb, 2004



MarsMars








MarsMars






Lignes de rivageLignes de rivageLignes de rivageLignes de rivageIntroductionIntroduction


MarsMars








MarsMars






DeuteronilusDeuteronilusDeuteronilusDeuteronilus

Amazonis Planitia

Alba Patera Utopia Planitia

Chryse Planitia

Isidis Planitia



MarsMars








MarsMars






- Ligne de rivage = potentiel constant

- U Deuteronilus

Potentiel de pesanteurPotentiel de pesanteurPotentiel de pesanteurPotentiel de pesanteurIntroductionIntroduction


MarsMars








MarsMars






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


MarsMars








MarsMars






- Tharsis > déformation de Mars

- Chronologie :

- Deuteronilus

- Tharsis

ÉÉtudes spectrométriquestudes spectrométriquesÉÉtudes spectrométriquestudes spectrométriques

Bib

ring

et a

l., 2

006

Phyllosilicates Sulfates Mnx hyd.



MarsMars








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








MarsMars






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


MarsMars








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

Terre

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

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



MarsMars








MarsMars






Mars

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


MarsMars








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








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








MarsMars






Convection thermique

Données spatiales

Méthode spectrale (T&N)

MéthodologieMéthodologieMéthodologieMéthodologieIntroductionIntroduction


MarsMars








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








MarsMars






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


MarsMars








MarsMars






Adimensionnement du géoïdeAdimensionnement du géoïdeAdimensionnement du géoïdeAdimensionnement du géoïdeIntroductionIntroduction


MarsMars








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








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








MarsMars






Équations adimensionnéesÉquations adimensionnéesÉquations adimensionnéesÉquations adimensionnéesIntroductionIntroduction


MarsMars








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








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








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








MarsMars






Interface

Programmation Fortran

Outil de parallélisation

Bibliothèque MPI

Programmation parallèleProgrammation parallèleProgrammation parallèleProgrammation parallèle

CINESCCIPL



MarsMars








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








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








MarsMars






I

GGÉÉOOÏÏDEDE

TOPOGRAPHIETOPOGRAPHIE

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



MarsMars








MarsMars






I

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

GGÉÉOOÏÏDEDE




MarsMars








MarsMars






II

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



MarsMars








MarsMars






GGÉÉOOÏÏDEDE


III

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



MarsMars








MarsMars






GGÉÉOOÏÏDEDE


IV

1d7_0 3d3_8

1d3_15 1d3_15_10

TN



MarsMars








MarsMars






Spectres de puissanceSpectres de puissanceSpectres de puissanceSpectres de puissance

3

2

4

1



MarsMars








MarsMars






Similarités avec VénusSimilarités avec VénusSimilarités avec VénusSimilarités avec Vénus

TN

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

TOPOGRAPHIE GTOPOGRAPHIE GÉÉOOÏÏDEDE

VE

NU

SC

OU

V. C

ON

D.



MarsMars








MarsMars






Similarités avec VénusSimilarités avec VénusSimilarités avec VénusSimilarités avec Vénus

ConclusionsConclusionsConclusionsConclusionsIntroductionIntroduction


MarsMars








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








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








MarsMars






Hypsométrie cumuléeHypsométrie cumuléeHypsométrie cumuléeHypsométrie cumuléeIntroductionIntroduction


MarsMars








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)

Documents

Dynamique interne des planètes telluriques et observables géophysiques de surface François COUTURIER Laboratoire de Planétologie et Géodynamique UMR CNRS