[PDF] Modelisation thermo-mecanique de lextension continentale

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THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE PARIS 6

Spécialité

Sciences de la Terre

Présentée par

Laetitia Le Pourhiet

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR de l'UNIVERSITE PARIS 6

Sujet de la thèse :

Soutenue le 6 octobre 2004

Devant le jury composé de :

Résumé

Comment caractériser et modéliser les paramètres qui contrôlent les mouvements verticaux, le flux

thermique, la cinématique et la géométrie des failles néoformées durant les épisodes de rifting

Pour répondre à cette question, un code explicite thermomécanique 2D a été utilisé. Dérivé de

l'algorithme Flac, il permet de prendre en compte des comportements rhéologiques complexes (visco-

élasto-plastique) et s'avère très efficace pour modéliser les déformations non-linéaires à courtes et

moyennes échelles de temps et d'espace. Cependant, pour traiter des écoulements incompressibles, ce

type de code devient moins performant. Pour palier à ce problème, un code éléments finis (FEM,

2/3D) thermomécaniquement couplé, a été développé. L'impact de la prise en compte de rhéologie

viscoélastique et d'une surface libre sur la topographie à l'aplomb d'un panache mantellique a ainsi pu

être quantifié. Un algorithme implicite permettant d'inclure une rhéologie visco-élasto-plastique

Par ailleurs, des expériences analogiques ont été menées en parallèle des études numériques 2D dans

Tous ces outils ont permis de mettre en évidence, comment, à différentes échelles, la présence de

plusieurs couches de lithologies différentes, peut entraîner des accélérations locales de la subsidence,

En terme d'application, le golfe de Corinthe, un rift continental actif qui découpe la chaîne des

Hellénides a reçu une attention particulière. La comparaison de modèles numériques 2D (Flac) et

analogiques 3D a montré que l'évolution structurale d'est en ouest et la cinématique des failles du

golfe peuvent être expliquées par la présence de la nappe des Phyllades dans les séries anté-rift du

Table des matières

1 _ Les deux classifications classiques du rifting____________________________________________ 11

2 _ Les modèles mécaniques du rifting ___________________________________________________ 16

1 _ De la géologie à la physique..._______________________________________________________ 22

2 _ Les 6 équations manquantes : la rhéologie______________________________________________ 31

3 _ Conclusions _____________________________________________________________________ 40

1 _ Discrétisation du continuum :________________________________________________________ 47

2 _ Description Physique ______________________________________________________________ 48

3 _ Interface et graphisme_____________________________________________________________ 56

1 _ Problématique____________________________________________________________________ 61

2 _ Mise en oeuvre numérique : _________________________________________________________ 61

3 _ Résultats________________________________________________________________________ 64

4 _ Interprétations____________________________________________________________________ 71

1 _ Généralités et description du code FEM________________________________________________ 79

2 _ Résolution de l'équation de la chaleur dans l'élément maître________________________________ 93

3 _ Résolution de l'équation d'équilibre des contraintes dans l'élément maître _____________________ 98

1 _ Descriptions des modèles et de leurs paramètres ________________________________________ 111

2 _ Résultats des calculs préliminaires___________________________________________________ 114

3 _ Résultats de la série continent ______________________________________________________ 117

4 _ Conclusions et perspectives ________________________________________________________ 123

1 _ Cinématique actuelle de la région Egéenne ____________________________________________ 133

2 _ Histoire alpine __________________________________________________________________ 135

3 _ Structure profonde de l'Égée actuelle ________________________________________________ 138

4 _ Le golfe de Corinthe______________________________________________________________ 140

1 _ Problématique et concept du " dipping pie »: __________________________________________ 173

2 _ Paramétrisation de l'étude thermomécanique 2D________________________________________ 175

3 _ Résultats_______________________________________________________________________ 178

4 _ Application au golfe de Corinthe ____________________________________________________ 190

1 _ D'une étude thermomécanique à son équivalent analogique... _____________________________ 207

2 _ Résultats_______________________________________________________________________ 210

3 _ Comparaison des résultats analogiques et thermomécaniques______________________________ 213

4 _ Discussion sur l'interprétation des modèles analogiques à l'aide de Benchmarks numériques ... Sur

5 _ Conclusion des benchmarks________________________________________________________ 223

Introduction

physiquement corrects, et réalistes, de la lithosphère continentale et d'autre part, par la comparaison

des résultats de ces modèles avec des cas réels. Durant ces trois ans (un peu plus avec le DEA), j'ai

- La première consiste à adapter et/ou développer des outils numériques performants (on the

- La seconde consiste à confronter les résultats des modélisations à un cas réel : le rift de

Corinthe.

géologique choisi doit être extraite. Dans un second temps, il faut confronter les données aux modèles

généraux existants. Il est ensuite possible de poser un problème physique simple, mais suffisamment

proche de la réalité, pour obtenir des résultats numériques apportant des réponses à une question

précise ayant un intérêt géologique régional. Le piège classique du jeu de l'ajustement des paramètres

mal contraints afin de coller à des données doit, autant que faire se peut, être évité.

Dans la première partie de cette thèse, les fondements théoriques de la modélisation thermomécanique

connaissances concernant les aspects cinématiques, et dynamiques du problème. Puis, la question de la

rhéologie de la lithosphère sera abordée par le biais d'une discussion sur l'applicabilité de la

mécanique des milieux continus aux problèmes géodynamiques. Cette discussion sera suivie de la

description détaillée des codes thermomécaniques utilisés et développés durant ces trois ans et qui

modélisent le comportement de la croûte, de la lithosphère et du manteau supérieur durant l'extension

continentale. Du point de vue théorique, deux problèmes seront abordés en application de ces deux

continentale sur la dynamique, la cinématique et la géométrie des zones de cisaillement qui la

l'interaction entre un panache mantellique et la bordure d'un craton à l'échelle du manteau supérieur

en prenant en compte une lithosphère continentale plus réaliste que dans les modèles de convection

classique. C'est-à-dire en l'existence d'une surface libre, de fortes variations latérales de rhéologie et

Puis viendra le temps du passage de la théorie, et du monde brillant des idées, à la dure, mais parfois

ensoleillée, réalité du terrain, des données contradictoires et des milieux hétérogènes avec leur héritage

Corinthe, un rift actif où la cinématique actuelle des failles est désormais bien contrainte car il est le

coeur d'un projet européen draine un flux permanent de nouvelles les données. Ce rift structuralement

complexe, il présente notamment de fortes variations structurales N-S et E-W et recoupe une ancienne

Différents modèles seront examinés, à l'échelle lithosphérique, tout d'abord, avec une étude du

couplage thermomécanique entre le slab hellénique et la croûte au niveau du golfe de Corinthe ; puis,

à l'échelle de la croûte supérieure, dans le but de comprendre l'influence des structures héritées de

Quelques modèles analogiques seront aussi présentés afin d'avoir une image 3D de la déformation

proposé pour la partie ouest du Golfe de Corinthe. Ce modèle pourra alors être élargi à toutes les zones

CHAPITRE I

L'extension continentale

L"étude de l"extension continentale n"est pas uniquement liée à une simple curiosité scientifique. Ce

sont généralement dans ces zones d"extension que se développent les bassins sédimentaires qui

constituent les réserves mondiales de minerais et d"énergie. Pour quantifier l"évolution du craquage

des hydrocarbures et pour comprendre la morphologie des réservoirs, il est nécessaire de comprendre

d"une part la cinématique et la géométrie des failles (pièges et drains potentiels) qui contrôlent la

formation de ces bassins d"autre part, de pouvoir quantifier les variations du flux de chaleur associées

à leur formation.

De ces critères économiques, deux types de modèles liés à deux types de classifications se sont

1 _ Les deux classifications classiques du rifting

A _ Classification dynamique

Cette classification a été établie pour répondre à la question du moteur de l'extension continentale, elle

est basée sur le bilan des forces s'exerçant sur la lithosphère continentale. Ces forces sont de trois

N/m [Parsons and Richter, 1980 ; Bott,

1991 ; Richardson, 1992]), la traction du slab ne participant que très faiblement à l'état

L'extension continentale

Figure 1

Les moteurs du rifting sont très variables :

1) extension aux limites (far field forces)

2) écroulement gravitaire (collapse)

C'est le cas le plus complexe, l'extension peut être locale et liée uniquement à la rotation

topographie. Cet effet est amplifié par la chute de résistance de la lithosphère sous l'effet de

radiogénique liés à la production de granite). Enfin, l'écroulement gravitaire peut aussi

3) anomalie mantellique chaude

Un panache, ou, à plus petite échelle n'importe quelle instabilité convective chaude dans le

rééquilibrage isostatique et d'autre part une perte de résistance locale de la lithosphère par

L'extension continentale

volcanisme et de bombement topographique précédent l'extension [Sengor and Burke, 1978]. Il est

d'usage d'appeler passif, un rift n'étant pas marqué en surface par la présence de volcan, et actif, un

A l'heure actuelle cette classification devient de plus en plus discutable d'une part parce que les causes

délamination de la racine lithosphérique ou fusion partielle de la croûte...), d'autre part parce que le

terme de passif n'est pas vraiment approprié pour décrire l'écroulement gravitaire d'une chaîne de

montagne et enfin parce que le régime de déformation peut varier au cours du temps d'un régime