Étude des mécanismes de refroidissement du manteau terrestre simulés par des systèmes multi-agents - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Earth's mantle cooling mechanisms studied by multiagent systems

Étude des mécanismes de refroidissement du manteau terrestre simulés par des systèmes multi-agents

Manuel Combes
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 936268

Résumé

The coupling between plate tectonics and mantle convection is generally investigated with numerical resolution methods that prescribe the number of plates a priori. We have designed a new MACMA model (MultiAgent Convecting MAntle) that simulates time-dependent plate tectonics in a 2D cylindrical geometry with evolutive plate boundaries. Plate velocities are computed using a local force balance and explicit parameterizations are used to treat plate boundary processes such as trench migration, subduction initiation, continental breakup and plate suturing. The system's geometry and thermal state are subsequently updated at all times. In our model, the number of plates is not imposed but emerges naturally. This approach is based on multiagent systems in thermal and mechanical interaction. Our model involves four types of agents (convection cells, lithospheric plates, continents and plate boundaries) that collect information from their environment in order to make decisions controlled by behavior laws. Our approach has two goals: (1) to test how empirically- and analytically-determined rules for a specific agent's behavior affect plate dynamics as a whole, and (2) to investigate how mantle temperature evolution is influenced by evolving surface plate tectonics. We obtain predictions for driving forces and corresponding plate velocities that are in good agreement with observations. Our model highlights the key role played by the sea floor age distribution, and thus by local structure changes (e.g., creation of a new spreading ridge), on the short-term heat flux evolution. Moreover, the present-day thermal and geometrical state of the planet corresponds to a decreasing heat flow, as suggested by recent seafloor age reconstructions. In the long term, Earth's thermal history is classically studied using scaling laws that link surface heat loss to the temperature and viscosity of the convecting mantle. When such a parameterization is used in the global heat budget of the Earth to integrate the mantle temperature backwards in time, a runaway increase of temperature is obtained, leading to the so-called "thermal catastrophe". When investigating Earth's cooling rate using explicit tectonic mechanisms, the very low computational cost of our model allows us to study the effect of a wide range of input parameters on the long-term thermal evolution of the system. For Earth-like parameters, an average cooling rate of 60~K per billion years is obtained, which is consistent with petrological and rheological constraints. Two time scales arise in the evolution of the heat flux: a linear long-term decrease and high-amplitude short-term fluctuations due to tectonic rearrangements. We show that the viscosity of the mantle is not a key parameter in the thermal evolution of the system. The cooling rate of the Earth depends mainly on its ability to replace old insulating seafloor by young thin oceanic lithosphere. Therefore, the main controlling factors are parameters such as the resistance of continental lithosphere to breakup or the critical age for subduction initiation. We infer that simple convective considerations alone cannot account for the complex nature of mantle heat loss and that tectonic processes dictate the thermal evolution of the Earth.
Le couplage entre la tectonique des plaques et la convection mantellique est généralement étudié avec des modèles numériques dans lesquels le nombre de plaques est fixé a priori. Nous présentons ici un nouvel outil : le modèle MACMA (MAnteau Convectif Multi-Agents) simule une tectonique variable dans le temps, avec des frontières de plaques mobiles dans une géométrie cylindrique 2D. Les vitesses de plaques sont calculées à partir d'un bilan de forces individuel et des mécanismes explicites sont utilisés pour simuler la dynamique des frontières de plaques, décrivant en particulier l'initiation des subductions, la migration des fosses de subduction, la rupture de lithosphère continentale (ouverture d'un océan) et la suture de plaques. La géométrie et l'état thermique du système sont ainsi mis à jour à chaque pas de temps. Dans notre modèle, le nombre de plaques tectoniques émerge donc naturellement de leur interaction. Cette approche est basée sur des systèmes multi-agents en interaction thermique et mécanique. Notre modèle met en jeu quatre types d'agents : cellules de convection, plaques lithosphériques, continents et frontières de plaques. Ces agents collectent des informations dans leur environnement pour prendre des décisions en fonction de règles de comportement incorporées dans le modèle géophysique. Le développement de cette méthode présente deux objectifs : (1) examiner dans quelle mesure des lois de comportement analytiques et empiriques peuvent affecter la dynamique des plaques, et (2) évaluer l'impact des mécanismes de surface de la tectonique des plaques sur l'évolution thermique du manteau. Nous obtenons des prédictions des forces motrices et des vitesses de plaques de la tectonique qui sont en bon accord avec les observations. De plus, notre modèle met en évidence le rôle clé joué par la distribution des âges du plancher océanique sur les fluctuations de flux de chaleur à la surface du manteau, soulignant ainsi l'importance des changements structurels à l'échelle locale (par exemple, la création d'une nouvelle dorsale océanique). D'autre part, en utilisant dans nos simulations les estimations courantes de la température et de la viscosité du manteau, la configuration actuelle des plaques correspond à une phase de décroissance du flux de chaleur, corroborant ainsi le comportement thermique déduit des reconstructions tectoniques récentes. Sur le long terme, l'histoire thermique terrestre est généralement étudiée à partir de lois d'échelle reliant le flux de chaleur surfacique à la température et à la viscosité du manteau convectif. Cependant, une telle paramétrisation du flux conduit à une divergence de la température dans le passé, quand elle est utilisée dans le bilan thermique global de la planète pour calculer l'état thermique de la Terre en remontant le temps à partir de la valeur actuelle de flux de surface. Afin d'étudier le taux de refroidissement de la Terre en utilisant des processus tectoniques explicites, nous avons mis à profit le faible temps de calcul du modèle MACMA pour étudier l'effet d'un large panel de paramètres physiques sur l'évolution thermique à long terme du système. Pour des paramètres terrestres, un taux de refroidissement moyen de 60 K par milliard d'années est obtenu sur 3 Ga, ce qui respecte les contraintes pétrologiques et rhéologiques dont disposent les géologues, sans pour autant invoquer une tectonique plus lente dans le passé, comme cela est souvent fait pour éviter la catastrophe thermique obtenue par les méthodes classiques de paramétrisation. Deux échelles de temps apparaissent donc dans l'évolution du flux de chaleur : une décroissance monotone sur le long terme (plusieurs milliards d'années) et des fluctuations de forte amplitude à court terme dues aux réarrangements structurels de la tectonique des plaques. Nous montrons que la viscosité du manteau n'est pas un paramètre clé de l'évolution thermique du système. Le taux de refroidissement de la planète dépend principalement de sa capacité à remplacer du plancher océanique vieux et isolant par une lithosphère jeune donc fine. Ainsi, les principaux paramètres de contrôle sont liés aux processus de surface, tels que le seuil de rupture continentale et l'âge critique d'initiation des subductions. Nous déduisons de cette étude que la convection mantellique seule ne peut rendre compte de la complexité du refroidissement du manteau à différentes échelles de temps, et que ce sont les processus tectoniques de surface qui contrôlent l'évolution thermique de la Terre.
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Dates et versions

tel-00874975 , version 1 (20-10-2013)

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  • HAL Id : tel-00874975 , version 1

Citer

Manuel Combes. Étude des mécanismes de refroidissement du manteau terrestre simulés par des systèmes multi-agents. Géophysique [physics.geo-ph]. Université de Bretagne occidentale - Brest, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00874975⟩
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