Etude expérimentale de la diffusion thermique dans les monocristaux d'olivine et dans les roches du manteau supérieur - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2003

Experimental study of the heat transfer properties of olivine single-crystals and upper mantle rocks

Etude expérimentale de la diffusion thermique dans les monocristaux d'olivine et dans les roches du manteau supérieur

Résumé

The knowledge of the thermal structure of the Earth is a prerequisite to better understand the geological processes observed at the Earth's surface. Conductive and convective heat transport mechanisms within the mantle determine this thermal structure and are mainly controlled by heat transport properties of mantle rocks. This study proposes to investigate these properties by measuring the thermal diffusivity of olivine single-crystals and polycristalline aggregates (rocks) at high temperature and high pressure, using three methods of measurement. Measurements on single-crystals display a strong anisotropy of thermal diffusivity and a significant heat transport by radiation at high temperature. Measurements on naturally-deformed peridotites show that the lattice preferred orientations of minerals lead to a significant anisotropy of thermal diffusivity (25%), which is preserved at high temperature. Comparison between single-crystals and rocks behaviours suggests that heat transfer by phonons is not hindered by grain boundaries and rock imperfections and that heat transport by radiation remains significant at the rock scale, in spite of reflections at grain boundaries. The resulting thermal diffusivity under mantle conditions is close to 1.5 mm2.s-1, which is about 50% higher than the one determined in previous studies. Numerical models of geotherms show that the combination of realistic values of phonon contribution, heat transport by radiation and anisotropy of thermal diffusivity may have major implications on the lithosphere dynamics and mantle convection.
La connaissance de la structure thermique interne de la Terre est essentielle pour mieux appréhender les phénomènes géologiques observables à la surface du globe. Cette structure thermique est déterminée par les échanges thermiques conductifs et convectifs au sein du manteau. Ces derniers sont essentiellement contrôlés par les propriétés de transport thermique des roches du manteau. Le travail de thèse propose une étude de ces propriétés par la détermination expérimentale de la diffusivité thermique à haute température et haute pression. Pour cela, des mesures de diffusivité thermique sur monocristaux et agrégats naturels d'olivine (roches) ont été conduites à l'aide de trois méthodes de mesures, dont l'une a été élaborée à Montpellier. Les mesures sur monocristaux montrent une forte anisotropie de la diffusivité thermique et une contribution significative du rayonnement au transport thermique à haute température. Les mesures sur des péridotites déformées naturellement montrent que l'orientation préférentielle des cristaux d'olivine conduit à une anisotropie significative (25%) de la diffusivité thermique, qui se conserve à haute température. La comparaison entre le comportement des monocristaux et des agrégats d'olivine suggère que la contribution des phonons à la diffusivité thermique n'est pas affectée par les joints de grain ou les imperfections de la roche et que bien que diminuée par l'effet des joints de grains, la contribution radiative demeure significative à l'échelle de la roche. La diffusivité thermique résultante dans les conditions du manteau est proche de 1.5 mm2.s-1, et elle est 50% plus élevée que celle déduite des études antérieures. La modélisation des géothermes dans divers contextes géodynamiques montre que des valeurs réalistes de la contribution des phonons, ajoutées à une contribution radiative significative et une anisotropie de la diffusivité thermique peuvent avoir un effet majeur sur la dynamique de la lithosphère et du manteau convectif.
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Citer

Benoit Gibert. Etude expérimentale de la diffusion thermique dans les monocristaux d'olivine et dans les roches du manteau supérieur. Géologie appliquée. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00007214⟩
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