Rouleaux ou panaches ?

L’avantage d’une ´etude exp´erimentale est qu’elle permet d’acc´eder `a la structure tridimensionnelle des instabilit´es. Nos exp´eriences montrent que la convection `a petite ´

echelle peut s’organiser essentiellement sous deux formes diff´erentes, en pr´esence de l’´ecoulement `a grande ´echelle qui la cisaille (Figure 6.17, chapitre 6). Pour de faibles nombres de Rayleigh ou un rapport de vitesse vinstab/vshear peu important, on aura une

organisation en rouleaux, align´es dans la direction du mouvement de la plaque. Pour des nombres de Rayleigh plus importants, ou un rapport de vitesse ´elev´e, les instabi- lit´es prennent la forme de panaches se d´etachant individuellement de la lithosph`ere et emport´es par l’´ecoulement `a grande ´echelle. Nous avons repr´esent´e dans le diagramme des r´egimes (Figure 8.3) l’intervalle des valeurs Ralatet vinstab/vshearpouvant potentiel-

lement caract´eriser le r´egime convectif terrestre. On peut se retrouver dans le cas de la Terre dans l’une ou l’autre forme d’organisation de la convection `a petite ´echelle (pa- naches 3D ou rouleaux 2D) , selon la valeur des param`etres associ´es aux mouvements convectifs. La vitesse verticale des instabilit´es n’est pas connue `a l’heure actuelle, et

LA TERRE

Ra

instabilités supprimées par le cisaillement

panaches & hélices (3D) panaches ? 106 105 ₁₀7 ₁₀8 1 0.1 0.01

~

~

~

~

∞

Fig. 8.3 – Diagramme repr´esentant les diff´erents r´egimes d’organisation de la convec- tion `a petite ´echelle en pr´esence du cisaillement impos´e par la grande ´echelle.

vinstab/vshear repr´esente le rapport entre la vitesse verticale des instabilit´es, et la vi-

tesse horizontale du cisaillement. Ralat est le nombre de Rayleigh d´efini en (6.5). Sont

report´es ici les points exp´erimentaux (voir chapitre 6). La r´egion gris´ee repr´esente l’en- semble des param`etres possibles pour la Terre.

ne peut qu’ˆetre d´eduite de mod`eles ou d’exp´eriences de laboratoire (Crambes et al., 2004). Nous pouvons cependant faire la pr´ediction suivante, au vu de nos r´esultats :

• pour des plaques rapides (vshear > 10 cm/an, e.g. le Pacifique), le cisaillement

va ˆetre assez important pour organiser la convection `a petite ´echelle sous la forme de rouleaux stationnaires.

• pour des plaques lentes (vshear < 10 cm/an, e.g. l’Atlantique), les instabilit´es

vont plutˆot prendre la forme de panaches individuels, d´ependants du temps, emport´es par l’´ecoulement cisaillant qui s’organise en h´elices autour de ces panaches.

Mˆeme dans le cas o`u les instabilit´es prennent la forme de panaches d´ependants du temps, nos r´esultats exp´erimentaux montrent que ces panaches sont emport´es se- lon des trajectoires parall`eles `a l’´ecoulement cisaillant qui restent les mˆemes sur de grandes ´echelles de temps, d´efinissant ainsi des ”couloirs” d’instabilit´es. Le r´egime o`u l’on s’attendrait `a des panaches isol´es, se formant et ´evoluant de mani`ere ind´ependante sur l’ensemble de la base de la couche limite thermique froide, n’a pas ´et´e observ´e. Ces deux cas permettraient ainsi d’expliquer les lin´eations, orient´ees selon la direction du mouvement de la plaque, caract´erisant la carte du g´eo¨ıde filtr´e du Pacifique Central,

du Pacifique Ouest ou de l’oc´ean Atlantique (Haxby & Weissel, 1986; Moriceau & Flei- tout, 1989). Il semble difficile `a l’heure actuelle de pouvoir diff´erencier ces deux r´egimes convectifs dans les observables g´eophysiques. La tomographie sismique haute r´esolution permettra peut-ˆetre d’amener plus d’informations sur la morphologie de l’´ecoulement sublithosph´erique sous les diff´erentes plaques oc´eaniques.

Topographie de la base de la lithosph`ere

plaque chaude verticale plaque froide supérieure

Fig. 8.4 – Topographie de la couche sup´erieure solide, dans le cas d’une transition de phase (exp´eriences avec de la cire, Crambes 2000). Les parties claire et fonc´ee cor- respondent `a la cire liquide et solide, respectivement. Gauche : Visualisation de la convection `a petite ´echelle par injection de colorant bleu. Droite : Zoom sous la base de la langue solide : observation des corrugations.

Les isothermes sous la condition froide sup´erieure dans nos exp´eriences pr´esentent une topographie particuli`ere. La base de la lithosph`ere ´etant d´efinie par un isotherme, la forme particuli`ere de l’´ecoulement, due `a l’organisation des instabilit´es convectives en pr´esence du cisaillement, va g´en´erer une topographie particuli`ere de la base de la lithosph`ere oc´eanique (Dumoulin et al., 2001). Cette topographie a ´et´e mise en ´evidence par les exp´eriences de Crambes (2000), dans un fluide pr´esentant une transition de phase solide-liquide (Figure 8.4). On observe la formation de corrugations sous la langue solide, align´ees selon la direction de l’´ecoulement `a grande ´echelle, et pr´esentant une longueur d’onde bien d´efinie dans la direction transverse.

La figure 8.5 r´esume l’´ecoulement en base de lithosph`ere, d´eduit de notre ´etude : des instabilit´es convectives se d´etachent de la base de la lithosph`ere, tombent et s’organisent en rouleaux longitudinaux, ou en panaches emport´es par la grande ´echelle et entour´es d’un ´ecoulement h´elico¨ıdal, ´etir´es dans la direction du cisaillement. Dans les deux cas, les instabilit´es restent pi´eg´ees dans l’asth´enosph`ere, et pr´esentent une longueur d’onde caract´eristique dans la direction transverse `a l’´ecoulement principal. Ce r´esultat est en accord avec les r´ecents mod`eles num´eriques de Morency (2003) et van Hunen et al. (2003).

ASTHENOSPHERE DORSALE

LITHOSPHERE

Fig. 8.5 – Repr´esentation sch´ematique de l’´ecoulement en base de lithosph`ere oc´eanique. Les fl`eches blanches indiquent la direction du mouvement relatif de la plaque lithosph´erique. Les vitesses de la lithosph`ere et de l’asth´enosph`ere doivent ˆetre diff´erentes pour cr´eer le cisaillement responsable de l’organisation de la convection `a petite ´echelle (voir texte).