Dynamics of shallow magmatic intrusions: theory and application to the detection of planetary intrusion.
Dynamique des intrusions magmatiques peu profondes : théorie et application à la détection d’intrusions planétaires
Résumé
Intrusive magmatism plays a fundamental role in the accretionary pro- cesses of terrestrial crust. Indeed, when magma is forced to the surface, only a small amount of it actually reaches that level. Most of the magma is in- truded into the crust where it solidifies into a wide range of features, from the small scale sills and laccoliths to large scale batholiths (several hundred kilo- meters in size). The topographic deformation that could be caused by shallow intrusions can be constrained by observations of planetary surfaces; that is, volume, shape and other dimensions of intrusions can be quantified. However, such observations must be linked to dynamic models of magma emplacement at depth in order to provide insights into magma physical properties, injection rate, emplacement depth and the intrusion process itself.
In this thesis, we first investigate the relation between the morphology of shallow intermediate-scale magmatic intrusions (sills and laccoliths) and their cooling. We propose a model for the spreading of an elastic-plated gravity current with a temperature-dependent viscosity that accounts for a realistic magma rheology, melt crystallization and heating of the surrounding medium. The mechanisms that drive the cooling of the intrusions vary from Earth to the Moon and the ability of the model to reproduce the final morphologies (aspect ratio) of terrestrial laccoliths and low-slope lunar domes is examined.
On the Moon, the emplacement of magmatic intrusions into the crust has also been proposed as a possible mechanism for the formation of floor- fractured craters. We propose a model for an elastic-plated gravity current spreading beneath an elastic overburden of variable thickness. We find that several characteristics of floor-fractured craters are indeed consistent with the emplacement of large volumes of magma beneath their floor. In addition, using the unprecedented resolution of the NASA’s Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) mission, in combination with topographic data obtained from the Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA) instrument, we show that lunar floor-fractured craters present gravitational anomalies consistent with magmatic intrusions intruding a crust characterized by a 12% porosity. The implications in terms of lunar evolution are examined.
Le magmatisme intrusif est une source masquée, mais potentiellement im- portante du magmatisme planétaire. En effet, les magmas, formés au sein du manteau, n’atteignent que rarement la surface. La grande majorité se met en place et refroidit au sein de la croûte sous forme d’intrusions magmatiques. Le volume ainsi que la morphologie de ces intrusions peuvent être contraints par l’observation des surfaces planétaires. Cependant, en l’absence d’un modèle capable de décrire la mise en place de telles intrusions, il est difficile de se faire une idée des propriétés physiques de l’écoulement et des magmas eux même.
Dans cette thèse, nous commençons par nous intéresser à la relation qui existe entre la morphologie finale des intrusions de tailles intermédiaires (sills et laccolites) et l’écoulement lui-même. Nous proposons ainsi un modèle dy- namique de la mise en place de l’intrusion qui prend en compte une rhéologie réaliste pour le magma, l’énergie libérée par sa cristallisation ainsi que le chauffage de l’encaissant. Les conditions varient de la Terre à la Lune; nous examinons ainsi la capacité du modèle à reproduire la morphologie de ces intrusions dans ces deux différents contextes planétaires.
Sur la Lune, la mise en place d’intrusions magmatiques au sein de la croûte a aussi été proposée pour expliquer les déformations subites par certains cratères après leurs formations. Pour tester cette hypothèse, nous proposons un modèle d’étalement d’intrusion magmatique sous une dépression caractéris- tique de l’impact. Nous montrons que les différentes déformations observées au sein de ces cratères sont bien en accord avec la mise en place d’importants volumes de magma sous leur sol. De plus, en utilisant la résolution sans précédente du champ de gravité lunaire obtenue par la mission GRAIL, nous montrons que la plupart de ces cratères montrent bien des anomalies de grav- ité; anomalies impliquant notamment une importante porosité dans la croûte lunaire. Les implications en terme d’évolution lunaire sont finalement évo- quées.
Domaines
Géophysique [physics.geo-ph]
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