Prospective Sciences de la Terre et Planétologie

Programme DyETI :
‘DYNAMIQUE ET EVOLUTION DE LA TERRE INTERNE’
Appel d’Offres 2003
Le programme IT ‘Intérieur de la Terre’ s’est arrêté en 2002 et fera l’objet d’un colloque de
deux journées en Octobre 2003 présentant les résultats obtenus sur la période 2000-2003. La
perspective, engagée en 2002 par une série d’ateliers puis par le colloque de Vulcania, a conclu à
la nécessité de poursuivre par un programme INSU qui traite des questions fondamentales sur la
dynamique interne de la Terre. Les thèmes fléchés décrits dans le présent Appel d’Offres sont le
résultat de ces réflexions et leur contenu pourra évoluer en fonction des résultats du colloque IT.
Lors de sa réunion du 5 mars 2003, la CSST a décidé de mettre en place un nouveau
programme financé sur 6 mois environ en 2003 et ne concernant que des propositions entrant
dans les thèmes fléchés. L’accent est mis sur l’achèvement de programmes initiés dans le cadre
d’I.T., sur les interactions entre enveloppes internes et externes et sur la nécessité de fédérer au
sein d’une même proposition les observations de terrain, les modélisations analogiques et/ou
numériques et l’expérimentation de laboratoire.
Les difficultés budgétaires rencontrées cette année font que le budget DyETI 2003 sera limité
à une enveloppe de 200 à 300 k€. La nécessité de ne pas avoir de reports fin 2003 incite à
proposer une double démarche pour cette année avec un premier appel d’offres limité aux thèmes
prioritaires (financement en Juin et crédits devant être dépensés avant le 31 Décembre 2003) et
un second appel d’offres à l’automne pour un financement en Janvier 2004. Pour la thématique
« Panaches », un atelier va être mis en place pour synthétiser les travaux effectués aux Afars et
faire ressortir des axes prioritaires qui formeront éventuellement un thème fléché à partir de 2004.
Les demandes devront être retournées à l’INSU avant le 10 Juin 2003 pour être examinées par
le comité scientifique fin Juin et permettre une mise en place des crédits en Juillet. Le formulaire
est disponible sur le site web de l’INSU.
Les demandes peuvent être pluriannuelles avec indication des financements demandés pour les
années suivantes.
La CSST a suggéré la mise en place d’un chantier prioritaire aux Antilles qui doit servir à des
études provenant de différents programmes de l’INSU, de programmes d’autres départements du
CNRS, et de programmes d’autres organismes de recherche (BRGM, IFREMER, IRD, …). Le
budget de ce chantier, renforcé par des crédits du FNS, permettra la mise en place de moyens
lourds et d’infrastructures importantes. Tout projet qui démontre l’intérêt de l’utilisation du
chantier Antilles pour répondre à ses problématiques scientifiques sera regardé avec une attention
particulière.
On rappelle que le premier critère d’évaluation des demandes reste la qualité scientifique. Elle
est évaluée par deux rapporteurs dont un appartenant au comité scientifique.
Les projets :
- un document pour la fiche abrégée
- un document pour le projet complet
- un document de bilan des actions menées dans le cadre d’IT
doivent être impérativement envoyés par mail à : [email protected]
Un document complet et signé doit nous parvenir par courrier postal à l’adresse suivante :
Lydie Guillerot, Programme DyETI
INSU, BP 287, 3 rue Michel Ange
75766 PARIS Cedex 16
LES THEMES FLECHES
Thème I : Le noyau, dynamique propre et couplages avec les autres enveloppes terrestres
(Animateurs Gauthier Hulot et Philippe Cardin)
Le noyau de la Terre est le siège de nombreux phénomènes dynamiques. Tous sont
potentiellement affectés par la façon dont les autres enveloppes (graine, manteau) définissent les
conditions aux limites vues par le noyau. En retour, le noyau joue un rôle important dans
l’évolution globale du système Terre, en contrôlant la croissance de la graine, en influençant la
dynamique du manteau, et même en définissant les conditions dans lesquelles les enveloppes
externes (ionosphère, magnétosphère) réagissent aux flux solaires. L’objectif général du thème I
de l’appel d’offres est d’encourager toute recherche permettant de mieux comprendre la façon
dont le noyau interagit ainsi avec les autres enveloppes de la Terre sur des échelles de temps
pouvant aller de l’année à l’âge de la Terre. Les projets associant différentes méthodes
d’investigation (méthodes du géo/archéo/paléomagnétisme, de la géodésie, de la sismologie, des
géomatériaux, etc.) sont très encouragés. Sont particulièrement sollicités les projets portant sur:
- L’exploitation des données magnétiques historiques et spatiales (avec une attention
particulière sur la séparation des sources principales/crustales/externes).
- Le développement de l’archéomagnétisme et du paléomagnétisme pour préciser la dynamique
du noyau au cours des dernières dizaines, voire centaines de milliers d’années, et au cours des
inversions (acquisition de données, compréhension des mécanismes physiques d’acquisition
du signal magnétique).
- L’amélioration des méthodes de simulations numériques.
- L’analyse comparée des observations, des résultats expérimentaux et des résultats de
simulations numériques du comportement dynamique du noyau.
- L’étude des instabilités du noyau.
- L’influence du noyau, et du système Terre en général, sur la croissance et la structure de la
graine.
- Le comportement mécanique globale du système graine-noyau-manteau (notamment dans le
contexte de la géodynamo).
- L’influence du manteau sur le comportement au très long terme de la géodynamo (fréquences
d’inversions, paléovariation séculaire).
- Les conditions inhabituelles imposées par le noyau sur l’ionosphère et la magnétosphère par le
passé (faible intensité, inversions, excursions).
Thème II : Localisation de la déformation lithosphèrique (Animateurs : B. Meyer et J. Chery)
Le comportement mécanique et la rhéologie de la lithosphère suscitent de nombreux débats et
font l'objet d'approches et de modélisations très diverses. De nombreuses questions se posent, par
exemple :
Quelles sont les contributions respectives de la croûte et du manteau lithosphérique dans la
résistance de la lithosphère, et quelle en est la conséquence sur la déformation géologique ? Quel
est le comportement mécanique moyen de la lithosphère continentale à court et long terme ?
Comment caractériser la résistance des zones de déformation localisée de façon absolue et la
comparer à celle de zones non déformées? Comment établir des relations entre les échelles de
temps et d'espace des phénomènes transitoires impliqués dans la déformation lithosphérique et les
propriétés rhéologiques de la lithosphère ? Comment contraindre la résistance de la lithosphère à
partir des observations et modélisations prétrophysiques ?
L'objectif général du thème II est de soutenir les projets qui permettent d'aborder ces questions en
associant observations de terrain et modélisations numériques ou analogiques. Dans ce cadre,
sont particulièrement sollicités les projets impliquant plusieurs méthodes d'investigation et ciblant
les aspects suivants :
- Imagerie géophysique, structure et pétrophysique de la croûte et de la lithosphère dans les
zones déformées.
- Répartition de la déformation lithosphérique en surface et en profondeur en réponse
à des forces tectoniques, des charges gravitaires (ou sédimentaires).
- Contraintes géodésiques, sismologiques et géologiques sur la localisation de la déformation.
- modélisation des interactions entre la croûte sismogénique, la croûte inférieure et le manteau.
- Acquisition de données temporelles sur les temps caractéristiques de la déformation
lithosphérique et modélisation des vitesses des processus tectoniques.
Thème III : Traceurs de la convection mantellaire (Animateurs : Anne Davaille et Georges
Ceuleneer)
Etudier la dynamique et l’évolution du manteau terrestre nécessite d’identifier et de caractériser
des phénomènes physico-chimiques opérant à des échelles allant de la terre globale
(convection,…) au minéral (fluage, changements de phase, fusion partielle, …). En effet, les
caractéristiques de la convection dépendent fortement des conditions thermiques (chauffage
interne, limite noyau/manteau, limite surface/manteau), des hétérogénéités de densité, même
faibles, liées aux hétérogénéités de composition et aux changements phases et, enfin, de la
rhéologie des roches mantelliques (dépendance en température, composition, pression,
« mémoire »,…). Les modélisations, qu’elles soient numériques ou analogiques, ont montré une
grande diversité de comportements en fonction de ces différents paramètres. Etudier les
comportements terrestres à grande échelle, nécessite donc de contraindre les modélisations à
l’aide de grandeurs (ex : densité, viscosité, …) déterminées expérimentalement (diagrammes de
phases, etc…) et/ou dérivées d’observations (ex : vitesses sismiques, composition chimique,
etc…) et donc d’identifier les mécanismes physiques à petite échelle permettant de relier ces
grandeurs aux observations.
Pour comprendre ce système « multi-échelles » il est donc indispensable de combiner les
approches et les outils de différentes disciplines (sismologie, mécanique des fluides, physique du
solide, tectonique, minéralogie, pétrologie, géochimie, …).
Le thème III regroupera les projets traitant de la dynamique du manteau. La soumission de
projets réunissant des approches complémentaires (sismologie/minéralogie, géochimie/
convection, etc...) est encouragée. Les études à caractère «local» seront les bienvenues pourvu
que leur importance pour comprendre le manteau dans sa globalité soit clairement explicitée.
Sont plus particulièrement sollicitées les études concernant:
- La convection en présence de plaques tectoniques,
- Les interactions manteau/noyau et manteau convectif/lithosphère,
- L’effet sur la dynamique fine de la convection des transitions de phase à très hautes pressions
et températures mises en évidence par la physique du solide,
- Les relations entre vitesses sismiques, anisotropie, minéralogie, composition et température,
et entre modèles tomographiques et géométrie convective,
- Les processus pétrologiques et géophysiques à l’origine des réservoirs géochimiques
terrestres et gouvernant leur évolution. Concernant ce dernier thème, l’accent pourrait être
mis sur :
. L’identification de la nature des phases et lithologies porteuses des différentes
signatures géochimiques ;
. Les études expérimentales permettant d’élargir notre connaissance du diagramme
de phase du manteau à des lithologies peu étudiées jusqu’à présent mais fondamentales pour
notre compréhension des transferts géochimiques (pyroxénites, éclogites, péridotites
métasomatisées, etc…) ;
. Les modèles de convection et de migration des magmas prenant explicitement en
compte les transferts géochimiques.
Thème IV : Subduction (Animateurs : Catherine Chauvel et Joseph Martinod )
Les zones de subduction jouent un rôle fondamental dans la géodynamique globale de la Terre
puisqu’elles sont le lieu de formation et de destruction de vastes volumes de croûte terrestre et le
lieu d’activités sismiques et volcaniques intenses. Cependant, elles restent mal comprises du fait
de l'énorme complexité des phénomènes mis en jeu. Les progrès que nous pouvons réaliser dans
la compréhension des mécanismes agissant dans les zones de subduction et dans l’établissement
des bilans de masse qui en résultent, passent par une approche multidisciplinaire associant
géodynamiciens, tectoniciens, numériciens, pétrologues, géochimistes, expérimentateurs,
sismologues ... Cela passe aussi par l'observation et la comparaison de différents types de
subductions actives. L’étude approfondie de ces différents types est indispensable si l’on souhaite
qu’ils servent ensuite de bases pour les confrontations et comparaisons concernant les témoins
fossiles et les différents modèles théoriques suggérés par les numériciens.
Compte-tenu d'une part de l'expérience acquise par la communauté française intéressée par la
subduction et d'autre part des observables et données à notre disposition, nous proposons de
fédérer les recherches autour de quelques questions fondamentales:
(1) Importance et rôle de la friction apparente sur le plan de subduction et cycle sismique.
(2) Détermination de la distribution des isothermes dans le coin mantellique; effets sur l’
hydratation et l’érosion ou accrétion sub-lithosphérique, couplage visqueux slab/manteau.
(3) Détermination des temps caractéristiques de transferts d'éléments, relation entre
mécanisme de transferts des éléments chimiques et structure thermique du coin
mantellique, contraintes quantitative de la pétrologie expérimentale sur les mécanismes de
fusion et déshydratation et sur les partages d'éléments traces lors de ces processus.
(4) Quantification des flux entrée/sortie; détermination des bilans de masse en résultant.
Effets à long terme du recyclage de croûte dans le manteau.
(5) Contrôle du slab sur le régime tectonique de la plaque supérieure, relations entre
paramètres caractéristiques (pendage, âge, cinématique....)
(6) Dynamique du manteau au voisinage des subductions et assimilation des slabs.
Convection à grande échelle.
La seule zone de subduction située sur le territoire français est celle des Antilles. Elle fera l’objet
d’un chantier spécifique. Les projets centrés sur l’étude de cette zone sont donc les bienvenus
dans le thème IV. Néanmoins, toutes les questions mentionnées ci-dessus ne pourront y être
abordées. En particulier, les études théoriques ou expérimentales ne peuvent se restreindre à des
zones chantiers alors qu’elles sont indispensables pour mieux comprendre les processus actifs
dans les zones de subduction.