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Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 22 novembre 2023 par Emilie Macherel, rattachée à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.
Les contraintes présentes dans la couche externe de la Terre jouent un rôle fondamental dans de nombreux processus géologiques qui se produisent à différentes échelles spatiales et temporelles. Cependant, nous avons encore beaucoup à apprendre sur la manière dont ces contraintes sont réparties et à quel point elles sont importantes dans divers environnements géologiques.
L’objectif de cette thèse est de contribuer à notre compréhension de ces contraintes autour de deux caractéristiques géologiques particulières et de leurs conséquences. La première partie de la thèse se penche sur le diapirisme, un processus dans lequel une masse moins dense s’élève à travers une matière plus dense. Ce phénomène joue un rôle crucial dans le transport de chaleur et de matière à l’intérieur de la Terre. Pour mieux comprendre son importance dans différents contextes géologiques, il est essentiel de quantifier la vitesse à laquelle ces masses moins denses s’élèvent. Pour cela, nous avons développé un outil informatique en trois dimensions utilisant le langage de programmation Julia. Cet outil résout des équations mathématiques sous l’influence de la gravité, prenant en compte des lois de comportement visqueux des matériaux. En utilisant cette approche, nous pouvons calculer les champs de contraintes et de vitesses instantanées.
Dans la première partie, nous avons étudié un modèle où une masse moins dense s’élève dans un matériau plus dense en présence d’une déformation régionale. Nos résultats montrent que la vitesse de remontée de ces masses dépend de deux rapports de contraintes : sont impliqués dans ces derniers, la contrainte régionale (induite par la déformation a grande échelle), la contrainte de flottabilité (provoquée par la remontée du diapir lui-même) en regard d’une contrainte caractéristique dépendant du matériau. Celle-ci indique à quel moment le régime change d’une déformation lente à une déformation rapide. De plus, nous avons comparé nos résultats avec des estimations analytiques existantes, montrant que nos calculs sont précis et applicables è une variété de situations géodynamiques. Ce faisant, nous avons pu améliorer ces estimations en utilisant un facteur multiplicateur supplémentaire.
La deuxième partie de la thèse se concentre sur les plateaux continentaux, où la contrainte imposée par la topographie ne peut pas être simplement définie par la pression lithostatique afin de maintenir cette topographie sur de longues périodes. Bien que nous ayons des estimations de contraintes moyennées sur la profondeur et des hypothèses sur la résistance des matériaux, la répartition précise des contraintes dans la lithosphère reste floue. Notre objectif ici est de mieux comprendre cette répartition Nous avons utilisé le mème outil informatique que dans la première partie de cette thèse, en modélisant un plateau continental. Nous avons calculé les champs de contraintes et de vitesses générés uniquement par la gravité, tout en étudiant l’impact de différentes variables. Nos résultats montrent que la courbure a un effet mineur sur les contraintes, tandis que les coins du plateau ont un impact significatif, en particulier sur les contraintes de cisaillement. De plus, les différences de viscosité dans la croûte et le manteau lithosphérique influencent fortement les contraintes et les vitesses de propagation du plateau. Nos résultats suggèrent que la résistance de la lithosphère se trouve principalement dans la croûte plutôt que dans le manteau lithosphérique. Enfin, nos conclusions mettent en évidence que les contraintes ne sont pas nécessairement un indicateur de la résistance des matériaux dans ces contextes géologiques complexes.