Proposition de thèse à Géosciences Montpellier sur le projet ERC RhEoVOLUTION: Modélisation de la tectonique des plaques : Comment les processus à différentes échelles interagissent-ils pour créer une localisation de la déformation à l'échelle de la planète ?
Nous recrutons un.e doctorant.e très motivé.e pour travailler sur une question fondamentale en Sciences: la modélisation des interactions entre échelles dans des systèmes physico-chimiques complexes. Elle/il devra avoir des bases solides en mécanique, maths appliquées et des compétences avérées en programmation scientifique/simulation numérique et souhaiter les appliquer à la compréhension de la dynamique de la Terre (et autres planètes). Des connaissances en géophysique et géologie sont un plus, pas un prérequis.
La localisation de la déformation est la règle plutôt que l'exception dans les couches externes de la Terre solide. Pourtant, la modélisation de la localisation de la déformation ductile (viscoplastique), sous la forme de bandes de cisaillement, reste un défi plus de 50 ans après la révolution scientifique qui a fait de la tectonique des plaques le principal paradigme des Sciences de la Terre. L'analyse de zones de cisaillement présentes à différentes échelles spatiales dans la nature implique que la localisation de la déformation découle d'une hétérogénéité spatiale du comportement mécanique des roches. Cette hétérogénéité (et la localisation de la déformation associée) existe à toutes les échelles, est omniprésente aux petites échelles et évolue en réponse aux champs mécaniques (contrainte et déformation).
Dans le projet ERC RhEoVOLUTION, nous avons postulé que la mauvaise représentation de cette hétérogénéité dans le comportement mécanique (rhéologie) des roches et de son évolution au cours de la déformation était le point de blocage pour générer une localisation de la déformation dans les modèles géodynamiques. Nous avons donc développé une nouvelle approche pour étudier la localisation de la déformation dans les roches se déformant par des processus ductiles. Cette approche associe une description stochastique des propriétés mécaniques du milieu avec des lois simples décrivant comment ces propriétés évoluent en réponse aux variations spatiales de la contrainte et de la vitesse de déformation qui en résultent. Ces modèles produisent, à partir d'un champ d'hétérogénéité rhéologique aléatoire, une localisation de la déformation à des échelles de 2 à 3 ordres de grandeur plus grands que l'échelle de longueur caractéristique du champ initial. Quelques zones de cisaillement s'allongent, fusionnent et s'élargissent, dominant l'ensemble du système, qui évolue vers un nouvel équilibre, caractérisé par un adoucissement anisotrope à l'échelle du système. Cependant, les formulations implémentées dans ces modèles sont basées sur notre connaissance des processus contrôlant la déformation des roches à l'échelle du grain (µm à cm). L'extrapolation directe des résultats à l'échelle de la tectonique des plaques (100 à 1000 km) n'est donc pas possible.
L'objectif cette thèse sera d'explorer les interactions entre processus actifs à différentes échelles spatiales (et temporelles) lors de la localisation de la déformation et de développer des techniques de changement d'échelle (coarse-graining) pour définir des lois rhéologiques capables de simuler correctement la localisation de la déformation et, donc, la tectonique de plaques dans des modèles géodynamiques. Le travail s'appuiera sur les résultats de l'ensemble de l'équipe ERC RhEoVOLUTION, composée de plus de 15 chercheurs d'horizons variés (géologie, glaciologie, mécanique des solides et des fluides, sciences des matériaux, mathématiques appliquées...), pour la plupart basés à Géosciences Montpellier. Le.la doctorant.e explorera des questions telles que : L'auto-similarité des structures de localisation des déformations - les zones de cisaillement (cf. figure) - de l'échelle du mm à celle de la centaine de km justifie-t-elle l'utilisation d'un formalisme numérique unique pour décrire la rhéologie à toutes les échelles ? Des approches stochastiques peuvent-elles être utilisées pour représenter l'hétérogénéité sous-maille du système à toutes les échelles ?
Fully funded (ERC) PhD position at Geosciences Montpellier starting in Sept 2024 : Modelling plate tectonics: How do processes at different scales interact to create strain localization at the planet scale?
We are hiring a PhD candidate strongly motivated to work in a fundamental question in Sciences: How to model the interactions between scales in complex physico-chemical systems. She/he should have a solid background in mechanics, applied mathematics, and proven skills in scientific programming/numerical simulation, which she/he would like to use to improve our understanding of the dynamics of the Earth (and other planets). Knowledge in geophysics and geology are a plus, but not a prerequisite.
Strain localization is the rule rather than the exception in the external layers of the solid Earth. Yet, modelling ductile (viscoplastic) strain localization, the dominant deformation mode in the lithosphere, in which deformation is concentrated in shear zones, remains a challenge >50 years after the scientific revolution that established Plate Tectonics as the main paradigm in Earth Sciences. Analysis of shear zones at various spatial scales in nature and experiments implies that strain localization stems from spatial heterogeneity in the mechanical behavior. This heterogeneity (and the associated strain localization) exists at all scales, is omnipresent at small ones, and evolves in response to the mechanical fields (stress and strain).
In the ERC project RhEoVOLUTION, we posited that poor representation of this heterogeneity in mechanical behavior (rheology) of rocks and its evolution during deformation was the locking point for generating strain localization in geodynamical models. Thus, we developed a new approach to examine how strain localization may arise in rocks deforming by ductile processes. This approach associates a stochastic description of the mechanical properties of the medium with simple laws describing how these properties evolve in response to the resulting spatial variations in stress and strain rate. These models successfully produce, from an initially random rheological heterogeneity field, strain localization at scales 2-3 orders of magnitude larger than the characteristic length scale of the initial field. A few shear zones lengthen, coalesce, and widen, dominating the whole system, which evolves towards a new equilibrium, characterized by a bulk anisotropic softening. However, the formulation of these models is strongly based on our knowledge of the processes controlling the rock deformation at the grains scale (µm to cm). Direct extrapolation of the results to the plate tectonics scale (100s to 1000s of km) is therefore not possible.
The aim of the PhD project is to explore the interactions between processes active at different spatial (and temporal) scales during strain localization and develop coarse-graining techniques to define rheological laws able to produce self-consistently strain localization and, hence, simulate plate tectonics in geodynamical models. The work will build on the results of the entire ERC RhEoVOLUTION team, that is composed by >15 researchers of varied backgrounds (Geology, Glaciology, Solid and Fluid Mechanics, Material Sciences, Applied Mathematics…), mostly based at Geosciences Montpellier. The PhD will explore questions such as: Does the self-similarity of the strain localization structures - the shear zones (cf. figure above) – from the mm to the 100s of km scales, justify the use of a single numerical formalism to describe the rheology at all scales? May stochastic approaches, as those developed up to now in the project, be used to describe the submesh behavior of the system at all scales?
