Résumé :
La subduction est un processus clé du renouvellement continu de la surface terrestre, avec la formation de lithosphère océanique aux dorsales océaniques, qui est ensuite recyclée dans le manteau au niveau des zones de subduction. Ce mécanisme, central à la tectonique des plaques, reste mal compris, car les propriétés mesurées des roches terrestres ne semblent pas compatibles avec la rupture de la lithosphère. Pour l’étudier, des suspensions colloïdales de Ludox, présentant des propriétés rhéologiques dépendant de la concentration en particules, sont utilisées. Ces suspensions forment une peau dense à leur surface capable de subducter lors du séchage.
Dans un premier temps, l’interaction entre convection thermique et évaporation dans l’eau, un fluide newtonien, est étudiée pour observer les motifs convectifs à la surface à l’aide d’imagerie infrarouge. Ces images permettent de dériver des lois d’échelle pour le taux d’évaporation, la température de surface et le flux thermique.
Ensuite, des techniques d’imagerie neutronique, couplées à des cristaux liquides thermochromiques, sont utilisées pour visualiser la convection thermique et solutale dans une cellule expérimentale remplie de Ludox, permettant de cartographier en temps réel les isothermes et le champ de concentration de particules. Cela fournit une vue détaillée de la dynamique de subduction de la peau.
Enfin, la dynamique de subduction est comparée à un modèle de feuille mince visqueuse afin de contraindre les propriétés rhéologiques nécessaires au renouvellement de la surface. Cette analyse pourrait permettre de mieux comprendre la rhéologie requise pour établir un régime – produisant des événements de subduction.
Mots-clés : Colloïdes, Subduction, Séchage, Evaporation, Convection thermo-solutale.
Convection and evaporation in colloidal suspensions and natural systems: formation, breakdown, and subduction of a dense skin
Abstract:
Subduction is a key process in the continuous renewal of Earth’s surface, with oceanic lithosphere formed at mid-ocean ridges and recycled into the mantle at subduction zones. This mechanism, central to plate tectonics, is not fully understood, as the measured properties of terrestrial rocks do not seem compatible with lithosphere rupture. To explore this, Ludox colloidal suspensions, exhibiting rheological properties that depend on particle concentration, are studied. These suspensions form a dense skin at their surface capable of subducting during drying.
In a first step, the interaction between thermal convection and evaporation in water, a Newtonian fluid, is examined to observe convective patterns at the surface using infrared imaging. These images help derive scaling laws for the evaporation rate, surface temperature, and heat flux.
Then, neutron imaging, combined with thermochromic liquid crystals, is used to visualize thermal and solutal convection within a Ludox-filled experimental cell, mapping isotherms and particles concentration field in real time. This provides a detailed view of the dynamics of subduction of the skin.
Finally, the dynamics of subduction is compared to a viscous thin sheet model to constrain the rheological properties required for surface renewal. This analysis may offer insights into the rheology necessary for a convective regime that produces subduction events.
Keywords: Colloids, Subduction, Drying, Evaporation, Thermo-Solutal convection.