Topic description
Pour qu'une nouvelle zone de subduction se mette en place, une frontière de plaque de faible résistance doit réussir à se former, par la localisation de la déformation sur une (mince) interface de découplage entre deux plaques lithosphériques, plaques dont le 'coeur' peut-être très résistant résistant. Lallemand et Arcay ont répertorié des cas naturels d'initiation de subduction au cours du Cénozoïque, Arcay et al. montrant que le succès de l'initiation au niveau d'une faille transformante océanique dépendait de la profondeur de la zone faible interloque (où la convergence est susceptible de se localiser) par rapport à la profondeur où la résistance au cisaillement était maximale au sein de la plaque chevauchante. Cette profondeur critique peut être estimée dans certains cas (suivant le modèle rhéologique choisi) par la profondeur de transition entre les mécanismes de déformations fragile et ductile. Cette transition dépend de la paramétrisation rhéologique du manteau lithosphérique froid, en approximant la déformation fragile par une contrainte seuil dépendante de la profondeur et la déformation ductile par une loi d'écoulement par fluage - dislocation. Par ailleurs, des données récentes sur la dynamique des dislocations dans l'olivine à basse température (expérimentation, modélisation) prédisent une résistance maximale plus faible au voisinage de la transition fragile-ductile, ce qui pourrait favoriser la localisation de la déformation par des rétroactions non-Newtoniennes lors de l'enfoncement de la plaque ou de l'extension de la plaque (Garel+, Van Broeck+ ). Cependant, ceci n'a encore jamais été exploré dans un contexte d'initiation de subduction.
Ce sujet de thèse vise à évaluer comment l'implémentation du fluage- dislocation à basse température influe sur les scénarios d'initiation et de maturation d'une zone de subduction naissante. Différentes paramétrisations rhéologiques (domaines cassant, ductile, transition fragile-ductile) seront comparées dans des modèles numériques soit régionaux, soit à l'échelle plus vaste de la convection mantellique. Nous étudierons en particulier :
- si le fluage-dislocation basse température permet l'initiation d'une zone de subduction même pour une contrainte seuil plus élevée (résistance cassante)
- comment le partitionnement de la déformation, l'échauffement par cisaillement, la force tectonique compressive, la résistance à la flexion, l'affaiblissement/résistance au cisaillement de l'asthénosphère, la traction de la proto-plaque plongeante, etc. évoluent au cours des différentes étapes de du développement d'une zone de subduction
- comment, selon l'équilibre des forces, la subduction peut (ou non) devenir auto-entretenue après son initiation
- si la déformation de surface, résultant de la dynamique profonde de la plaque ou de l'évolution du découplage mécanique de l'interface, peut initier une nouvelle zone de subduction.
Les modèles régionaux permettront de comprendre les rétroactions entre les dépendances rhéologiques, le champ de déformation et la dynamique des plaques. Les modèles de convection mantellique à grande échelle permettront quant à eux d'explorer dans un cadre auto-régulé et dépendant du temps, par exemple comment une subduction peut affecter l'initiation d'une autre zone de subduction dans son voisinage. Les résultats seront comparés aux enregistrements géologiques: mode d'accommodation de la déformation, contexte géodynamique, échelle de temps de la localisation, et évolution des paramètres de subduction (vitesses de convergence, âge des plaques convergentes). Enfin, les expériences numériques seront analysées pour quantifier les rétroactions thermiques et mécaniques impliquées dans les différentes étapes du processus d'initiation de la subduction. Nous chercherons à établir des lois de comportement pertinentes (principaux paramètres de contrôle, évolution de l'équilibre des forces au cours du développement d'une zone de subduction).
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During the initiation of a subduction zone, a weak plate boundary is expected to form by the localization of deformation on a decoupling interface between two strong lithosphere cores. Lallemand and Arcay have documented natural cases of subduction initiations during the Cenozoic, with Arcay+ showing that successful initiation at an oceanic transform fault depends on the weak zone depth (where convergence is likely to localize) with respect to the depth where the resistance to shear is maximum within the overriding plate. This critical depth can be approximated in some cases by the brittle-ductile transition depth. This transition depends on the rheological parameterization of the cold lithospheric mantle, approximating brittle deformation by a depth-dependent yield strength and ductile deformation by a dislocation creep flow law. Recent data on low-temperature dislocation dynamics predict a smaller peak resistance at the brittle-ductile transition, which favor deformation localization through non-Newtonian feedbacks during slab sinking or plate extension (Garel et al., Van Broeck et al. ). However to our knowledge the possible role of a low-temperature plasticity has never been investigated in the process of subduction initiation.
The present PhD subject aims at evaluating how the implementation of low-temperature dislocation creep impacts scenarios of subduction initiation and evolution. Different rheological parameterizations of yield-strength and dislocation creep will be compared in regional and large-scale numerical models of mantle dynamics. We will in particular investigate :
- if low-temperature creep results in subduction initiation even for larger yield-stress (brittle resistance)
- how deformation partitionning, shear heating, tectonic force, bending resistance, asthenosphere weakening/drag, slab pull, etc. evolve during the different stages of subduction initiation
- how subduction may (or not) be self-sustained after the first initial stages depending on the force balance
- if surface deformation, resulting from deep slab dynamics or variation in interface decoupling, can trigger the initiation of a new subduction zone.
Regional models will permit an understanding of feedbacks between rheological dependencies, deformation pattern and plate dynamics. Large-scale mantle convection models will on the other hand allow to explore self-consistent and time-dependent thermo-mechanical fields, e.g. how a neighbouring subduction may affect another subduction initiation. The simulation results will be compared to geological records, regarding the mode of accommodation of deformations, geological settings, timescale of localization and the evolution of subduction parameters (convergence speeds, age of the converging plates). The numerical experiments will be analyzed to decipher the thermal and mechanical feedbacks involved in the different stages of the process of subduction initiation. We expect to derive some relevant scaling laws (main controlling parameters, evolution of force balance as a subduction zone develops) to highlight the key ingredients of a successful subduction zone initiation.
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Début de la thèse : 01/10/
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