modélisation numérique de la ségrégation et différentiation d'une croûte continentale en fusion partielle h/f
Detail de l'annonce :
Date Limite Candidature : lundi 11 juillet 2022
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INFORMATIONS GÉNÉRALES
Référence : UMR5563-MURGER-001
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : lundi 20 juin 2022
Nom du responsable scientifique : Muriel Gerbault & Nicolas Thébaud
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel
DESCRIPTION DU SUJET DE THÈSE
Encadrement: Muriel Gerbault (GET-IRD), Nicolas Thébaud (CSIRO,
Australia)
Co-encadrants: Thomas Bonometti(IMFT), Olivier Vanderhaeghe,
Stéphanie Duchêne (GET)
Conditions de candidature : la candidature doit inclure un CV, une
documentation sur les mérites éducatifs, les qualifications et les
activités antérieures. Des compétences en programmation
informatique et en thermodynamique/pétrologie sont recherchées. Une
lettre détaillant les motivations personnelles et une proposition
accompagnant le programme de recherche seront bienvenus. Si vous avez
effectué un diplôme à l'étranger, celui-ci sera évalué par
l'école doctorale SDU2E avant de pouvoir accéder à l'emploi.
Résumé du projet : L'objectif est de développer une méthode
numérique couplant des outils thermodynamiques et thermomécaniques
appliqués à la genèse d'une croûte en fusion partielle et à la
ségrégation liquide/solide, pour combler le gap de description des
modes de transferts des magmas à l'échelle minérale lors de
réactions métamorphiques et à échelle crustale par écoulements
visqueux gravitaires induits par des forces extérieures. Ce projet
poursuit le développement de solveurs OpenFOAM par une méthode VOF,
qui permet de bien suivre les déformations aux interfaces de phases
fluides hétérogènes (Louis-Napoléon et al., 2020,2021).
L'incorporation des interactions thermiques et compositionnelles entre
phases fluides distinctes permettra de formaliser comment celles-ci
évoluent, migrent et contribuent à la ségrégation et à la
construction de la croute continentale.
But et objectifs : la différenciation de la croûte est contrôlée
par la fusion partielle et les transferts de fluides magmatiques
(Sawyer, 1994). Dans ce cadre, la circulation des fluides a un impact
déterminant sur le transfert d'éléments d'intérêt économique
(Chi & Xue, 2011). La compréhension de ces processus est donc
essentielle pour guider l'exploration et l'exploitation des ressources
du sous-sol. Alors que les conditions de fusion partielle et de
cristallisation sont généralement déterminées par modélisation
thermodynamique (Holland & Powell, 2011), le comportement dynamique de
croûtes partiellement fondues est également abordé par
modélisation thermomécanique (Poh et al., 2020 ; Piccolo et al.,
2021 ; Schmeling et al., 2021). Certains modèles prennent en compte
les réactions métamorphiques génératrices de fluides, tandis que
d'autres traquent leurs échanges à l'échelle du grain (Petrella et
al., 2021) : notre objectif ici est de relier ces échelles avec
l'appui de l'observation de terrain et de mesures de propriétés
pétrologiques en laboratoire. Alors que l'on débat des modes
d'écoulement des fluides magmatiques (migration, mélange ou
transport réactif), ou si les colonnes crustales sont des systèmes
chimiquement ouverts à des profondeurs distinctes (par exemple,
Cornet et al., 2022), nous chercherons ici à mieux formaliser ces
processus à l'échelle intermédiaire.
Nous nous appuierons sur l'exemple de la ceinture éburnéenne
d'Afrique de l'Ouest, qui témoigne d'un événement majeur de
croissance crustale entre 2,0 et 2,2 Ga, et est composée de séries
volcano-sédimentaires affectées par du métamorphisme schiste-vert,
de granulites et d'intrusions plutoniques. Cette ceinture se
caractérise par l'alternance de roches vertes de longueur d'onde de
10 à 30 km, dans un gradient métamorphique de 30 à 40°C/km. Alors
que certains ont proposé un rôle dominant des instabilités
gravitataires (Vidal et al., 2009) d'autres privilégient le rôle de
mouvements horizontaux (Baratoux et al., 2011). Le programme WAXI
(waxi4.org/waxi-4/waxi-1-3/) a réuni une base de données unique qui
met en évidence le rôle du métamorphisme des séries
volcano-sédimentaires dans la genèse des gneiss migmatitiques, des
plutons et des ressources minérales associées (Masurel et al., 2021
; Bonzi et al., 2021). D'autres sites serviront aussi de comparaison :
les terrains protérozoïques Australiens, les Alpes européennes
Crétacé et les dômes migmatitiques de Naxos (Siebenaller et al.,
2013). Ces données de terrain et de laboratoire serviront d'abord à
contraindre les conditions initiales et limites des modèles et à
guider l'identification des principaux modes de transport des fluides
magmatiques (réaction, diffusion, localisé, diapirisme, convection),
tandis que les modèles en retour, guideront l'identification sur le
terrain, des processus d'«homogénéisation/ségrégation». Cette
interdisciplinarité sera favorisée par le cadre international offert
par l'IRN franco-australien FalCol
(oceania.cnrs.fr/project/irn-falcol/).
La méthode numérique VOF est l'une de celles qui conserve le mieux
la masse dans un écoulement fluide multiphasique, ce qui est un
problème majeur dans la compréhension des processus de ségrégation
crustale. L'objectif de ce projet est de poursuivre le développement
de solveurs embarqués dans le code opensource OpenFOAM, en
incorporant l'évolution thermodynamique d'une colonne crustale
hétérogène (e.g. MagmaFOAM, Brogi et al., 2020, et Carrillo et al.,
2020). Ce contrôle sur la composition et la rhéologie de la matrice
et des liquides magmatiques permettra d'identifier les différentes
échelles de transport de volumes fluides (percolation via le milieu
poreux ou par convection-diapirisme), et donc leur impact sur la
ségrégation solide/liquide. Une attention particulière sera
consacrée aux réactions de fusion partielle et de cristallisation
qui jouent un rôle dans le cycle des fluides aqueux et carboniques
participant aux processus métallogéniques (Petrella et al., 2021).
Ces modèles numériques permettront ainsi de quantifier les
transferts magmatiques conduisant à la différenciation crustale au
cours du Paléoprotérozoïque.
Plan de travail
* Année 1 : prise en main d'OpenFOAM (https://openfoam.com) en
démarrant à l'échelle crustale (même configuration que
Louis-Napoléon et al., 2021), en faisant varier conditions initiales,
puis insertion progressive des conditions thermodynamiques. Début de
la publication 1.
* Année 2 : Implémentation de l'approche multiphysique d'échelle
0,1-100 mètres.
+ Mission de terrain via le réseau Falcol. 1 atelier ou conférence
internationale.
* Année 3 : Analyse des résultats, synthèse et rédaction de la
publication 2,
présentation de résultats en conférence. Rédaction du manuscrit de
thèse.
Equipements: plateforme d'analyses pétrologiques et
géochronologiques du GET
(www.get.omp.eu/plateformes/pole-petrologie-et-mineralogie/), et les
supports numériques du cluster communautaire Nuwa (www.aero.obs
-mip.fr/parc-instru/platmod/) et du supercalculateur Olympe du
mésocentre régional CALMIP (www.calmip.univ-toulouse.fr/).
Les frais de missions de terrain, de déplacement et de conférences
seront couverts via des subventions nationales annuelles.
Références
Brogi, F., Colucci, S., Matrone, et al. (2022). MagmaFOAM-1.0: a
modular framework for the simulation of magmatic systems.
Geoscientific Model Development, 15(9), 3773-3796.
Louis-Napoléon A., Gerbault M., Bonometti T., et al. (2020). 3D
numerical modelling of crustal polydiapirs with volume-of-fluid
methods. Geoph.J.Int. 222(1) 474-506.
Louis-Napoleon A., Bonometti T., Gerbault M., et al. (2022). Models of
convection and segregation in heterogeneous partially molten crustal
roots with a VOF method-I: flow regimes, GJInt , 2022.
Petrella, L., Thébaud, N., Evans, K., LaFlamme, C., & Occhipinti, S.
(2021). The role of competitive fluid-rock interaction processes in
the formation of high-grade gold deposits. Geochimica et Cosmochimica
Acta, 313, 38-54.
Piccolo, A., Kaus, B. J., White, et al. (2020). Plume—Lid
interactions during the Archean and implications for the generation of
early continental terranes. Gondwana Research, 88, 150-168.
Poh, J., Yamato, P., Duretz, T., et al. (2021). Transition from
ancient to modern-style tectonics: insights from lithosphere dynamics
modelling in compressional regimes. Gondwana Res. 99, 77-92.
Siebenaller, L., Boiron, M., Vanderhaeghe, O., Hibsch, C., Jessell, M.
et al. (2013). Fluid record of rock exhumation across the
brittle–ductile transition during Metamorphic Core Complex formation
(Naxos Island). J. Metam.Geol. 31(3), 313-338.
CONTEXTE DE TRAVAIL
Le GET (Geosciences Environnement Toulouse) est un laboratoire de
recherche pluri-disciplinaire en Sciences de la Terre et de
l'Environnement rattaché à l'Observatoire Midi-Pyrénées (OSU OMP).
L'unité mixte (CNRS, IRD, Université P. Sabatier, CNES) regroupe
environ 226 personnes.
Les thémtiques de recherche sont très complémentaires autour de
l'étude de la Terre interne, de ses surfaces et interfaces
continentales et de l'environnement pour améliorer la connaissance
(i) sur l'évolution et la dynamique terrestre, (ii) l'observation
spatiale et in situ de la Terre, (iii) la zone critique et les
interactions fluides-roches-vivant, et (iv) les géoressources et les
interactions Contaminants-Environnement-Santé.
Cette thèse aura lieu au sein de l'équipe TIL (Terre Interne
Lithosphere), qui s'interesse spécifiquement à la dynamique de la
Terre Interne, généralement d'un point de vue pétrologique.
Elle sera aussi co-encadrée par Thomas Bonometti et collaborateurs de
l'IMFT (institut de Mécanique des Fluides de Toulouse), experts en
modélisation des milieux fluides et du code numérique étudié.
Enfin elle sera aussi co-encadrée par Nicolas Thébaud, chercheur en
Australie et spécialiste des terrains métamorphiques Australiens et
Africains étudiés.
CONTRAINTES ET RISQUES
Pas de contraintes particulieres sinon que l'usage d'ordinateurs.
DIspositions éventuelles pour participer à une mission de terrain en
contexte isolé (non urbain).