Thèse Ré-Examen du Processus d'Initiation d'Une Zone de Subduction dans les Modèles Numériques d'Intéractions Lithosphère-Asthénosphère H/F - 34

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : GM - Géosciences Montpellier
Direction de la thèse : Diane ARCAY ORCID 0000000167730807
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

Pour qu'une nouvelle zone de subduction se mette en place, une frontière de plaque de faible résistance doit réussir à se former, par la localisation de la déformation sur une (mince) interface de découplage entre deux plaques lithosphériques, plaques dont le 'coeur' peut-être très résistant résistant. Lallemand et Arcay (2021) ont répertorié des cas naturels d'initiation de subduction au cours du Cénozoïque, Arcay et al. (2023) montrant que le succès de l'initiation au niveau d'une faille transformante océanique dépendait de la profondeur de la zone faible interloque (où la convergence est susceptible de se localiser) par rapport à la profondeur où la résistance au cisaillement était maximale au sein de la plaque chevauchante. Cette profondeur critique peut être estimée dans certains cas (suivant le modèle rhéologique choisi) par la profondeur de transition entre les mécanismes de déformations fragile et ductile. Cette transition dépend de la paramétrisation rhéologique du manteau lithosphérique froid, en approximant la déformation fragile par une contrainte seuil dépendante de la profondeur et la déformation ductile par une loi d'écoulement par fluage - dislocation. Par ailleurs, des données récentes sur la dynamique des dislocations dans l'olivine à basse température (expérimentation, modélisation) prédisent une résistance maximale plus faible au voisinage de la transition fragile-ductile, ce qui pourrait favoriser la localisation de la déformation par des rétroactions non-Newtoniennes lors de l'enfoncement de la plaque ou de l'extension de la plaque (Garel+ 2020, Van Broeck+ 2026). Cependant, ceci n'a encore jamais été exploré dans un contexte d'initiation de subduction.

Ce sujet de thèse vise à évaluer comment l'implémentation du fluage- dislocation à basse température influe sur les scénarios d'initiation et de maturation d'une zone de subduction naissante. Différentes paramétrisations rhéologiques (domaines cassant, ductile, transition fragile-ductile) seront comparées dans des modèles numériques soit régionaux, soit à l'échelle plus vaste de la convection mantellique. Nous étudierons en particulier :

- si le fluage-dislocation basse température permet l'initiation d'une zone de subduction même pour une contrainte seuil plus élevée (résistance cassante)

- comment le partitionnement de la déformation, l'échauffement par cisaillement, la force tectonique compressive, la résistance à la flexion, l'affaiblissement/résistance au cisaillement de l'asthénosphère, la traction de la proto-plaque plongeante, etc. évoluent au cours des différentes étapes de du développement d'une zone de subduction

- comment, selon l'équilibre des forces, la subduction peut (ou non) devenir auto-entretenue après son initiation

- si la déformation de surface, résultant de la dynamique profonde de la plaque ou de l'évolution du découplage mécanique de l'interface, peut initier une nouvelle zone de subduction.

Les modèles régionaux permettront de comprendre les rétroactions entre les dépendances rhéologiques, le champ de déformation et la dynamique des plaques. Les modèles de convection mantellique à grande échelle permettront quant à eux d'explorer dans un cadre auto-régulé et dépendant du temps, par exemple comment une subduction peut affecter l'initiation d'une autre zone de subduction dans son voisinage. Les résultats seront comparés aux enregistrements géologiques: mode d'accommodation de la déformation, contexte géodynamique, échelle de temps de la localisation, et évolution des paramètres de subduction (vitesses de convergence, âge des plaques convergentes). Enfin, les expériences numériques seront analysées pour quantifier les rétroactions thermiques et mécaniques impliquées dans les différentes étapes du processus d'initiation de la subduction. Nous chercherons à établir des lois de comportement pertinentes (principaux paramètres de contrôle, évolution de l'équilibre des forces au cours du développement d'une zone de subduction).

La subduction océanique, moteur essentiel de la tectonique des plaques et cause des séismes de très grande magnitude, demeure un sujet d'étude fondamental avec de nombreuses inconnues sur les processus conduisant à la néoformation de ce type de frontière de plaque en contexte convergent.
L'équipe encadrante a acquis récemment une double expertise sur les processus de localisation de la déformation. D'une part dans un contexte géologique en convergence conduisant à l'initiation de la subduction au niveau d'une faille transformante mise en compression (Arcay et al. 2023), en confrontant de manière étroite l'étude détaillée des cas naturels et le développement de modèles thermo-mécaniques originaux (Arcay et al., 2021). Les résultats de cette étude et la compilation de 70 cas d'initiation de zone de subduction au cours du Cénozoïque remettent fortement en question les concepts jusqu'ici largement
acceptés d'initiation de la subduction (https://www.insu.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/les-premiers-stades-de-la-naissance-des-zones-de-subduction) . Le choix des paramètres testés (cinématique, thermique, géométrie) sera dicté par l'observation de cas naturels, en particulier grâce à la base de données globale sur les zones de subduction SubMap développée à Montpellier (http://www.submap.fr). Ce premier volet de l'étude fournira un cadre cohérent pour l'interprétation des données géologiques et géophysiques qui restent ponctuelles dans le temps et dans l'espace.

D'autre part, nous nous sommes intéressés avec attention au potentiel de localisation de la déformation dans un manteau lithosphérique via un mécanisme de fluage ductile par dislocation à haute et basse températures. Les conditions pouvant conduire à l'initiation d'une nouvelle frontière de plaque dans un modèle dynamique d'extension lithosphérique ont permis de mettre en évidence le pouvoir localisant à l'échelle lithosphérique de cette plasticité basse et haute température, mais aussi les rétroactions thermiques et mécanique mises en jeu (Van Broeck et al., 2026, en révision).
Enfin, Fanny Garel, l'une des deux co-directrices de ce sujet de thèse a séjourné en 2025 pendant 6 mois à l'Australian National University (ANU), ce qui lui a permis de mettre au point des des simulations de convection mantellique à grande échelle (géométrie 'annulus' 2D) où les écoulements diffèrent d'une géométrie cartésienne où le domaine de simulation rectangulaire doit souvent être 'fermé' sur les bords). Cette géométrie plus réaliste tient compte de la sphéricité de la Terre (i.e., de la forte réduction de volume du manteau terrestre alors que la profondeur augmente). Une collaboration étroite et renforcée a ainsi été renouvelée avec l'équipe de la Research School of Earth Sciences de l'ANU.

Please cf. 'Summary of thesis project'
Cf. 'résumé du projet de thèse', svp.

- Building a modeling strategy of adequate numerical experiments for the scientific questions
- Designing the different experimental set-ups and running (unix scripts) finite-element codes (Fluidity or G-ADOPT), featuring a self-adaptive meshing ability, hence the high spatial resolution (~100s m) needed to accurately model deformation localization through time.
- Performing data post-processing using programming languages, e.g. Python.
- Analyzing of the simulation results, by deriving relevant diagnostics and inferred scaling laws.
- comparing to natural cases of Cenozoic subduction zone initiations