Grain Size and localization of deformation in the lithosphere
Taille des grains et localisation de la déformation dans la lithosphère
Résumé
I studied the impact of grain size on the rheology of the mantle of the Earth with a new model of grain size evolution. The equilibrium states it predicts are in agreement with the experimental data. This model is illustrated by numerical simulations of mantle convection and shear zones. We propose that the energy of a grain size distribution is constrained by the energy of the grain boundaries. The amount of energy required to nucleate new grains is substracted to the energy dissipated in the material. When the growth and recrystallization are equivalent, the grain size distribution reaches an equilibrium state compared with experimental data. Partitionning of energy is principally temperature-dependent. I test our model in a numerical simulation of shear zone with a non-Newtonian- grain size-dependent viscosity in which deformation can locally operate in diffusion or dislocation regime. The deformation is more localized when the shear zone is in the dislocation regime. The grain size parameter tends to favor the apparition of shear zones but is insufficient to localize deformation in the case of a constant plate velocity. I have tested our grain size evolution model in a set of numerical simulations of mantle convection. I have considered that the grain size distribution is always in the equilibrium state predicted but our model. The grain size can fully modify the convection regimes of planets. The grain size strongly influences the dynamics of planets in localizing the deformation in their surfaces. The model we propose brings a new view of the creation of plate tectonics at the surface of the Earth.
Cette thèse a pour but d'étudier l'impact de la taille des grains sur la rhéologie du manteau. Nous proposons un nouveau modèle d'évolution de la taille des grains en adéquation avec les données expérimentales. Ce modèle est illustré par des simulations numériques d'une zone de cisaillement et de convection du manteau. Notre modèle propose que l'évolution d'une distribution de tailles de grains soit contrainte par l'énergie des joints de grains. L'énergie nécessaire à la nucléation des nouveaux grains est soustraite à l'énergie dissipée. Lorsque croissance et nucléation se compensent, nous comparons l'état d'équilibre obtenu avec les données expérimentales. Ce modèle est testé dans une simulation de zone de cisaillement. Selon la température, la contrainte et la taille des grains, la déformation peut s'effectuer en régime de diffusion ou de dislocation. Ce modèle montre que la déformation se localise moins efficacement lorsque le coeur de la zone de cisaillement passe en régime de diffusion. La taille des grains semble favoriser l'apparition des zones de cisaillement mais ne semble pas localiser intrinsèquement la déformation. Nous testons finalement notre modèle à l'aide de simulations numériques de convection. Nous considérons les grains dans l'état d'équilibre prévu par notre modèle. La taille des grains modifie le régime de convection des planètes en créant une couche supérieure très non-Newtonienne. La taille des grains influence fortement la dynamique des planètes en localisant la déformation à leur surface. Ce nouveau modèle apporte une vue nouvelle sur la création et l'entretien du régime de tectonique des plaques.