Convection thermique dans un fluide hétérogène : du laboratoire aux planètes

Dérive des continents, Tectonique des plaques, volcanisme de points "chauds" sont les manifestations de surface des phénomènes de convection thermique dans le manteau terrestre, l?enveloppe solide de notre planète entre la surface et 2900 km de profondeur. Mais si l'existence de la convection mantellique ne fait plus de doute aujourd?hui, sa nature exacte (géométrie, régime, échelles de longueur et de temps,...) reste débattue, car elle dépend de facteurs variés tels que la rhéologie et la densité des roches mantelliques, la quantité de chaleur dégagée à l'intérieur de la Terre, la compressibilité du manteau profond, etc... Or la structure interne de la Terre est complexe et délicate à évaluer. Par exemple, les données sismologiques et géochimiques montrent que le manteau terrestre est chimiquement hétérogène sur une large gamme d?échelles. De plus, sa rhéologie dépend fortement de la température, de la pression et de la composition chimique. Pour interpréter les données géologiques, nous avons donc besoin de comprendre les processus physiques qui déterminent les figures de convection dans un tel manteau. Nous avons donc étudié, à l'aide d'expériences de laboratoire, l'intéraction de la convection thermique avec une stratification en densité et en viscosité. En fonction du rapport de flottabilité B (rapport entre l'anomalie de densité d'origine compositionnelle, qui stabilise le système, et l'anomalie, déstabilisante, de densité d'origine thermique), deux régimes ont été observés: à grand B, la convection demeure stratifiée et des panaches thermochimiques, fixes dans l'espace et le temps, sont générés à l'interface; à faible B, des dômes chauds oscillent verticalement à travers toute la cuve tandis que de fins panaches tubulaires peuvent monter de leur surface supérieure. Les instabilités tendent à détruire progressivement la stratification par le brassage qu'elles engendrent. Le diagramme des différents régimes et les lois d'échelles déduites des expériences permettent de prédire les conditions d?existence et les caractéristiques (taille, géométrie, structure thermique, évolution temporelle et chimique) de ces phénomènes dans les planètes telluriques.