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Dynamique interne des planètes telluriques et observables géophysiques de surface François COUTURIER Laboratoire de Planétologie et Géodynamique UMR CNRS.

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1 Dynamique interne des planètes telluriques et observables géophysiques de surface François COUTURIER Laboratoire de Planétologie et Géodynamique UMR CNRS Université de Nantes Soutenance de Doctorat 27 avril 2007 Directeur de thèse : Christophe SOTIN Co-encadrant : Gaël CHOBLET

2 Introduction - caractéristiques des corps telluriques - problématique La planète Mars - lignes de rivage / océan - hypsométrie Topographie dynamique et Géoïde - méthode spectrale - code convection 3D sph. - premiers résultats Conclusions & Perspectives

3 Les corps telluriques Planètes Satellites de glace IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

4 Pourquoi ? IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives - Pas de données sismiques disponibles - Étude des relations Topographie / Gravité (e.g Wieczorek, 2007)

5 La planète Mars Tharsis DichotomieIntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

6 Activité hydrologique IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

7 Études géomorphologiques Clifford et Parker, 2001 Webb, 2004 IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

8 Lignes de rivage IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

9 Deuteronilus Amazonis Planitia Alba PateraUtopia Planitia Chryse Planitia Isidis Planitia IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

10 - Ligne de rivage = potentiel constant - U Deuteronilus Potentiel de pesanteur IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

11 Variations du potentiel de pesanteur IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives - Tharsis > déformation de Mars - Chronologie : - Deuteronilus - Tharsis

12 Études spectrométriques Bibring et al., 2006 Phyllosilicates Sulfates Mnx hyd.IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

13 Bibring et al., 2006 Chronologie : Noachien inf. : océan sur Mars / formation de Deuteronilus Noachien sup. : volcanisme intense (Tharsis) - forme tri-axiale de Mars / déformation Deuteronilus Études spectrométriques IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

14 Limites géographiques de locéan IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives - Surface : 15% Mars - Volume : 75% Oc. Arctique - Hydratation : 0,003 % Mars 0,023 % Terre

15 HypsométrieIntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives - Distribution délévation f(S) - % surface / tranche délévation - effet de charge des océans

16 Hypsométrie - Mars Terre Topographie (°2-90) Topographie (°1-90) IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives Mars

17 Hypsométrie cumulée - Terre IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives - Sommation % surface de chaque tranche délévation - Élévation décroissante

18 Head et al, 1999 Hypsométrie cumulée - Mars IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives - 35% surface Mars - Tectonique des plaques ? - Isostasie / subsidence thermique ?

19 Planètes telluriques - Satellites de glace Relation convection / gravimétrie Sotin et al., 2002 IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

20 Convection thermique Données spatiales Méthode spectrale (T&N) MéthodologieIntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

21 Anomalies thermiques - forces de flottabilité - flux mantellique -> contrainte - déformation frontières -> évolution géoïde Topographie dynamique et Géoïde IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

22 Adimensionnement de la topographie IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

23 Adimensionnement du géoïde IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

24 Valeur min de S : manteau Si fin Valeur min de Gr : croûte glace fine Valeur max de S : croûte glace épaisse Valeur max de Gr : manteau Si épais AdimensionnementIntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

25 Conservation quantité de mouvement (Navier - Stokes) Conservation de la masse Conservation de lénergie Équations de la mécanique des fluides IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

26 Équations adimensionnées IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

27 Grille classique long./lat. Singularité aux pôles Termes non bornés Grille non régulière Maillage du domaine (1) IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

28 Système de coordonnées de la sphère cubique 6 blocs géométriquement identiques Système de coordonnées non orthogonales Projection de chaque face du cube circonscrit sur la sphère (Méthode des Grands Cercles) Maillage du domaine (2) IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

29 > Aucune singularité > Grille quasi-uniforme > Passage dun bloc à lautre par simple rotation > Discrétisation limitée à un seul bloc Système de coordonnées de la sphère cubique Maillage du domaine (3) IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

30 Interface Programmation Fortran Outil de parallélisation Bibliothèque MPI Programmation parallèle CINES CCIPL IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

31 Valeurs des paramètres Loi de viscosité µ=exp(-avis T) Contraste de µ – (8 – 15) Rapport daspectf=0,5 Rayleigh interne – Chauffage interne10 IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives Raavish 11d7-- 23d38- 31d d31510

32 Topographie dynamique et géoïde Viscosité constante Viscosité constante (Ra=1d7, avis=0) Champ de T° IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives I

33 GÉOÏDE TOPOGRAPHIE Topographie dynamique et géoïde Viscosité constante Viscosité constante (Ra=1d7, avis=0)IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives I

34 Topographie dynamique et géoïde Viscosité f(T) Viscosité f(T) (Ra=3d3, avis=8) GÉOÏDE TOPOGRAPHIE IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives II

35 Topographie dynamique et géoïde Viscosité f(T) Viscosité f(T) (Ra=1d3, avis=15)IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives GÉOÏDE TOPOGRAPHIE III

36 Topographie dynamique et géoïde Viscosité f(T) + chffge Viscosité f(T) + chffge (Ra=1d3, avis=15, h=10)IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives GÉOÏDE TOPOGRAPHIE IV

37 1d7_0 3d3_8 1d3_151d3_15_10 TNTNIntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives Spectres de puissance

38 IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives Similarités avec Vénus TNTN

39 (Ra=1d3, avis=15, h=10) TOPOGRAPHIE GÉOÏDE TOPOGRAPHIE GÉOÏDE VENUS COUV. COND. IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives Similarités avec Vénus

40 ConclusionsIntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives - Corrélation entre champ de T° et géométrie T & N - viscosité variable long. donde - chauffage interne long. donde

41 CONCLUSIONS Mars - Enregistrement de la déformation au Noachien sup. - Isostasie thermique ? Topographie dynamique et géoïde - Nouvel outil - modélisation convection th. en domaine 3D sph. - méthode spectrale - Résultats préliminaires - effet viscosité - effet h IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

42 PERSPECTIVES Évolution de la forme de Mars - Quantifier la déformation - Basculement axe de rotation Topographie dynamique et géoïde - Loi de viscosité - Rhéologie : - lithosphère élastique - visco-élasticité (réponse temporelle) IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives

43

44 Hypsométrie cumulée IntroductionProblématiqueMars - lignes de rivage - océan - hypsométrie Topographie & Géoïde - méthode spectrale - convection 3D sph. - premiers résultats ConclusionsPerspectives Oldenburg (1975) Modèle de refroidissement ½ espace - Relation linéaire D & âge > Relation linéaire D & S cumulée

45 Cogné & Humler

46 Conditions aux limites Bords libres à la CMB Bords rigides à la surface (vitesse fixée et nulle)


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