Doctorat en Géodynamique (H/F): Convection dans les fluides diphasiques: du laboratoire aux planètes

Sujet de thèse :
La convection de Rayleigh-Bénard se développe lorsqu’une couche de fluide est chauffée par en dessous et refroidie par dessus. Importante pour les transferts de masse et de chaleur dans nombre de procédés industriels, c’est aussi un des acteurs-clef dans la dynamique des océans et de l’atmosphère, et de l’intérieur des étoiles et des planètes. La plupart des études se sont pour l’instant focalisées sur la convection dans les fluides de viscosité constante. Mais dans les planètes telluriques ou les satellites de glace, les variations de temperature peuvent induire une augmentation drastique de leur viscosité. Si le fluide demeure newtonien, la convection se développe alors sous un couvercle ou ‘peau’ (la lithosphère dans une planète tellurique), qui encaisse la majorité du gradient de viscosité. Ce couvercle reste stagnant et limite fortement les transferts de masse et de chaleur à la surface. Mais il possède aussi souvent les propriétés d’un solide, dans lequel des bandes de cisaillement, des plis, voire des fractures peuvent se développer. De plus, il peut contenir des fluides (aqueux ou fondus). Cette texture à l’échelle méso va affecter l’interaction de la peau avec la convection et la dynamique à grande échelle de la couche. Ce qui en retour affecte la formation de la peau et sa texture. Ces interactions entre échelles micro-meso-macro gouvernent l’évolution des planètes telluriques. La Tectonique des Plaques sur Terre, qui permet le renouvellement continu de 60% de la surface de notre planète, est un exemple d’une peau cassant et replongeant dans la couche convective. Mais ce n’est qu’un régime convectif parmi tant d’autres.
Notre groupe a développé un programme à long-terme d’expériences de laboratoire sur la convection dans les fluides complexes et son application à la dynamique interne des planètes. L’utilisation de matériaux venant de la physique de la 'matière molle » telles que des dispersions colloïdales permet d’étudier la convection en fonction de la rhéologie des fluides (allant de visqueux à visco-elasto-plastique, voire cassant) et la texture de ces fluides (organization élémentaire, bandes de cisaillement, failles,...) à toutes les échelles, depuis le nm jusqu’à l’échelle de la convection (cm-m). Jusqu’à présent les dispersions colloïdales aqueuses de silice sont les seuls fluides où une subduction asymétrique développe naturellement de la convection. Et cette subduction est observée dans des lithospheres expérimentales contenant encore un peu de liquide libre de percoler. Ceci suggère que les oceans d’eau, ou encore la fusion partielle sont importants pour autoriser la subduction sur une planète.
Donc, nous proposons d’étudier pendant cette thèse les rétro-actions entre la convection et la nature diphasique du fluide, en combinant expériences de laboratoire, analyse dimensionnelle et simulations numériques. Les objectifs sont: 1) d’établir un diagramme de pha
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