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Modélisation numérique de la ségrégation et différentiation d'une croûte continentale en fusion partielle H/F

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

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).

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