La croûte terrestre en bouillonnement, ou comment se redistribue la matière au coeur des chaines de montagne

L’étude des racines profondes de la croûte continentale Archéenne à Phanérozoique mise à l’affleurement par des processus d’exhumation comme l’érosion ou l’effondrement gravitaire met en évidence des structures en dômes de diamètres kilométriques à déca-kilométriques . Le coeur de ces dômes est composé de migmatites et de granites, roches qui témoignent d’un passage à l’état partiellement fondu voir magmatique. Ces dômes sont donc des objets essentiels pour appréhender la dynamique des racines crustales, dans les chaînes de montagnes, et sont impliqués dans la redistribution de matière au sein de la croûte, et donc potentiellement aussi, le développement de systèmes minéralisés d’intérêt économique.

Nous avons modélisé numériquement le développement d’instabilités gravitaires diapiriques et de convection dans une croûte continentale chauffée par en bas, simulant les conditions régnant dans les racines crustales, au coeur de chaînes de montagnes. L’hétérogénéité chimique et physique du milieu est représentée par des inclusions de viscosité et densité distinctes, et ce milieu obéit à des lois de comportement non-linéaires fonction de la température et de la vitesse de déformation. Nous utilisons la Méthode VOF (Volume Of Fluid, code OpenFoam) permettant de reproduire la coalescence et la séparation des inclusions, de taille de quelques centaines de mètres.

Gauche: Régime en suspension: les inclusions en noir et blanc sont entrainées dans les cellules de convection. Droite: régime de stratification: les inclusions légères se groupent sous la croûte supérieure rigide. © Gerbault

Nous avons identifié trois régimes d’écoulement et de ségrégation de ces inclusions en fonction de deux nombres de Rayleigh qui caractérisent les domaines sans et avec fusion partielle, Ra_UM et Ra_PM (proportionnels à l’inverse de la viscosité). Lorsque ces deux nombres sont élevés, un régime de «suspension » décrit l’entraînement de ces hétérogénéités dans les cellules convectives tant que dure le chauffage (maximum 20 millions d’années). A faible Ra_UM et Ra_PM élevé, un régime de « stratification » apparaît selon lequel les inclusions légères s’amalgament en amas flottants sous la croûte supérieure rigide, assimilables alors à des structures en dôme. Enfin à faibles nombre de Rayleigh, un régime de «diapirisme» peut apparaître, sans convection, avec la ségrégation des inclusions lourdes et légères respectivement en bas et en haut, formant des couches.

Ces expériences numériques apportent donc un nouvel éclairage  sur les conditions de formation de dômes lorsqu’une croûte continentale entre en fusion partielle, et sur la redistribution des hétérogénéités de matière en son sein.

Contacts: Aurélie Louis-Napoléon, Muriel Gerbault

Sources :

Aurélie Louis–Napoléon, Thomas Bonometti, Muriel Gerbault, Roland Martin, Olivier Vanderhaeghe, Models of convection and segregation in heterogeneous partially molten crustal roots with a VOF method - Part I: flow regimes, Geophysical Journal International, 2021; https://doi.org/10.1093/gji/ggab510.

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