Transcript convection mantellique et volcanisme

Les fluides visqueux en
laboratoire : convection
mantellique et volcanisme
Claude Jaupart
Anne Davaille
Sylvie Vergniolle
Edouard Kaminski
Laboratoire de Dynamique des
Systèmes Géologiques
IPG Paris - Université Paris 7
Pourquoi une dynamique des
fluides expérimentale ?
Validation des théories et des résultats
numériques (ex. convection à viscosité
variable - tectonique des plaques)
 Problèmes biphasiques - Phénomènes
de mélange - Hétérogénéités actives
 Instabilités des systèmes naturels (ex
convection Rayleigh Bénard pour les
grands systèmes)

La dynamique des fluides au
labo : principes et problèmes
Mettre le problème à l’échelle
 Réaliser le dispositif expérimental
 Mesurer les propriétés des fluides
 Visualiser l’écoulement
 Mesurer ses caractéristiques
(température, composition…)
 Appliquer au cas terrestre

1/ la convection mantellique

Poser le problème : plutôt que reproduire la
Terre, tenter de comprendre la physique des
écoulements simplifiés

Mise à l ’échelle : les équations donnent les
nombres sans dimensions, Re, Pr, Ra, Nu ...

Réalisation d’un montage expérimental propre à
chaque type de problème
Ex 1 : un plume laminaire

Montage : cuve + fluide visqueux +
résistance électrique

Difficultés :
– Visualisation (interférométrie laser, banc
optique, table élévatrice)
– Effets de bord (50cm3 pour un plume de 3
cm de rayon)
Plume thermique laminaire - Huile rhodorsil 47V500
(Kaminski - Jaupart)
Ex 2 : convection à viscosité variable

Montage : cuve isolante et transparente,
plaques de cuivre thermostatées (+65 /
-20°C) dans pièce thermostatée (0.5°C).

Difficultés mesures :
– Température du fluide connue à 0.1°C =>
thermocouple au µV (bruit instrumental)
– Visualisation perturbe isolation thermique
Convection à viscosité variable - Golden Syrup
(Davaille - Jaupart)
Ex 3 : convection sous un solide

Montage : cuve isolante et transparente,
plaques de cuivre thermostatées, solide
isolant +- fusion

Difficulté de préparation : le solide (cuve
rotative)

Difficultés mesures : visualisation de
l’interface
Convection sous un solide isolant (continent)
(Guillou - Jaupart)
Convection sous un solide - Cire (Crambes - Davaille)
Convection sous un solide - Glycérol (Hill - Jaupart)
Ex 4 : convection thermochimique

Montage : cuve thermostatée, 2 fluides
de densité et de viscosité différentes,
colorants divers

Difficultés :
– Préparation des fluides (densité connue à
0.001%, colorant joue)
– Visualisation de l’écoulement en 3D
– Caractérisation du mélange
Dômes en convection thermochimique
Visualisation par colorant (Davaille)
Plumes en convection thermochimique (Davaille)
QuickTime™ et un décompresseur
Vidéo sont requis pour visualiser
cette image.
Convection thermochimique - Visualisation fluorescéine
(Lebars - Davaille)
Caractérisation de l’entraînement - Cuve à rouleaux
(Davaille)
Dans le futur ...

Tectonique des plaques : rhéologies
non Newtoniennes, quel analogue ?

Effet des continents mobiles, modes de
convection pour des grands rapports
d’aspect : expériences de grande
échelle, gestion des fluides, des
cuves...
Conclusion convection

Effets 3D (mélanges, topographie des interfaces)
intrinsèques, instabilités à toutes les échelles,
plus ou moins imbriquées : pas de troncature
mais la visualisation est le problème majeur.

Pour les fluides biphasiques et les rhéologies
particulières, la préparation et la caractérisation
des fluides nécessitent un lourd investissement
technique (viscosimètres non newtoniens,
pénétromètres…).
2/ le volcanisme (explosif)

Sur le terrain, seules les manifestations externes
du système volcanique sont accessibles et des
lois d’échelles sont nécessaires pour les relier au
fonctionnement interne

On ne sait pas encore vraiment comment décrire
la physique des phénomènes et les manips de
labo permettent un premier décryptage
La fragmentation

La fragmentation des mousses libère le gaz
contenu dans les bulles et est responsable
de l’explosivité

Comment caractériser la fragmentation
(mécanisme, cinétique) ?

Comment lier les observables de surface à
la fragmentation en profondeur ?
Approche expérimentale

Cuve + cheminée, fluide visqueux + flux de
gaz

Caractérisation de la mousse : propriétés
acoustiques (pression - Vson) et optiques

Caractérisation de la fragmentation :
caméra rapide
Modèle analogique d’une chambre magmatique
(Vergniolle - Jaupart)
Caractérisation de la mousse par mesures acoustiques et photoélectriques
Résonance de la bulle (capteurs pression) - Ondes de gravité (caméra)
QuickTime™ et un décompresseur
Vidéo sont requis pour visualiser
cette image.
Fragmentation de la mousse en toit de chambre
Image caméra rapide (Vergniolle)
QuickTime™ et un décompresseur
Vidéo sont requis pour visualiser
cette image.
Fragmentation de la mousse en toit de chambre
Image caméra rapide (Vergniolle)
En amont de la fragmentation :

La cristallisation fractionnée

La fusion partielle (écoulements
biphasiques - rhéologies particulières)
Cristallisation par le haut - Visualisation PIV
(Brandeis - Jaupart)
Cristallisation par le bas, cheminées (Tait - Jahrling- Jaupart)
Caractérisation de la porosité par mesures électriques
Dans le futur …

Modélisation de la fusion partielle et de
l’extraction (séparation de phase convection)

Modélisation du volcanisme explosif
Plinien:
– Ondes de chocs
– Régime permanent
Conclusion volcano

Écoulements multiphasiques :
– Comment caractériser chaque phase (flux,
fraction volumique, pression, tension de
surface…)
– Comment définir la rhéologie du milieu
équivalent : problème théorique en amont
Conclusion générale

La dynamique des fluides en labo est
nécessaire pour : instabilités 3D mélanges - multiphasique

Elle pose 3 types de problèmes
– Mise au point des expériences qui sont
particulières à chaque sujet d’étude
– Préparation et caractérisation des fluides
– Visualisation des écoulements
Au niveau financier...

Le problème majeur : la taille
– Les expériences de part leur spécificité ne
dépassent pas la taille critique des mi-lourds
– Mais elles sont jugées trop chères pour les
programmes non expérimentaux
– Nécessité de trouver sa place dans ce
programme...