La Terre

La convection matellique

Simulation de la convection du manteau terrestre.

Simulation de la convection du manteau terrestre.


Si le mouvement incessant des plaques qui composent la surface de la Terre a pour origine les mouvements de convection brassant le manteau en profondeur, nous sommes encore loin d'en connatre toutes les caractristiques. Cette convection est-elle uniforme sur l'ensemble du manteau ou bien existe-t-il plusieurs niveaux de convection indpendants? Les modlisations numriques permettent aujourd'hui d'apporter des rponses satisfaisantes ces questions et d'envisager un type intermdiaire de convection compatible avec les observations des gophysiciens. L'enjeu de ces tudes est de taille. La comprhension de la convection mantellique est en effet lie celle de ces manifestations en surface comme les tremblements de terre et les ruptions volcaniques.

La convection mantellique est le moteur de la drive des continents en surface. Mais quelle forme revt-elle en profondeur? Rpondre cette question est trs difficile. A l'exception de quelques forages (les plus profonds dpassent tout juste une dizaine de kilomtres, ce qui est peu compar au diamtre de la Terre), les seuls tmoins directs du manteau sont reprsents par les massifs ophiolitiques, fragments de lithosphre ocanique entrans sur les continents, ou encore les morceaux de roches que les laves de certains volcans (comme les kimberlites qui fournissent galement les diamants) arrachent au cours de leur remonte vers la surface. Ce sont l nos seuls contacts directs avec les matriaux du manteau terrestre.

On ce demande quelle est la nature et la forme des courants de convection. Les courants de matire remontent-ils directement du noyau vers la base de la lithosphre ou existe-t-il plusieurs niveaux de convection indpendants?

Reprsentation d'une convection du manteau terrestre  un seul niveau.

Schma reprsentatif d'une convection du manteau terrestre un niveau.


Reprsentation d'une convection du manteau terrestre  deux niveaux.

Schma reprsentatif d'une convection du manteau terrestre en deux niveaux.


A la diffrence d'un solide, qui ne transmet la chaleur que par conduction, un fluide conduit la chaleur mais peut aussi en transporter par le dplacement relatif de ses molcules: c'est l'advection. La convection d'un fluide rsulte de la combinaison de ces deux modes de transfert. Elle nat dans une couche de fluide rendue instable par la prsence de fluide plus dense surmontant un fluide plus lger. Dans le cas de la convection thermique, celle qui nous intresse pour le manteau terrestre, ce sont les variations locales de densit, elles-mmes dues la dilatation thermique (un corps dont la temprature s'lve devient moins dense) qui sont l'origine de cette instabilit. Dans ce cas, si une particule subit le moindre dplacement, par exemple vers le haut, elle se trouve environne de fluide plus dense puisque plus froid.

Sous l'effet de la pousse d'Archimde, elle a tendance remonter comme un bouchon. Cependant, ce phnomne est frein par les frottements lis la viscosit du fluide et par la diffusion de la chaleur - la diffrence de temprature l'origine de la diffrence de densit tend en effet disparatre par la conduction thermique avec le milieu environnant. Ces deux effets tendent donc amortir les mouvements convectifs induits par la diffrence de temprature.

Le bilan de ces trois effets - pousse d'Archimde, rsistance au mouvement et quilibrage des temprature par conduction - est exprim au travers d'un seul paramtre, le nombre de Rayleigh. Ce nombre sans dimension est proportionnel la diffrence de temprature entre le haut et le bas de la couche fluide. Les mouvements du fluide n'apparaissent que si le nombre de Rayleigh est suprieur un certain seuil critique de l'ordre de 1000.

Equation du nombre de Raylet

Equation du nombre de Raylet.


Bien que les principes qui rgissent le phnomne de convection soient trs simple et connus depuis longtemps, les quations, appliques au manteau de la Terre, deviennent trs complexes. Surtout lorsque des paramtres tels que la chaleur apporte par la dcomposition des lments radioactifs du manteau, la compressibilit des roches ou les changements de phases sont pris en compte.

Le nombre de Rayleigh dpend, non seulement de la diffrence de temprature applique au systme, mais aussi des proprits physiques du fluide (coefficient de dilatation thermique, viscosit, conductivit thermique) et des conditions exprimentales comme l'paisseur de la couche de fluide et la valeur du champs de gravit. Ce nombre, dans le cas du manteau, est lev puisque l'on estime qu'il est compris entre 106 et 107, c'est--dire mille ou dix mille fois le seuil critique au-del duquel la convection commence.

Quelle forme revt la convection du manteau terrestre?

Un dbat oppose actuellement encore les partisans d'une convection en une seule couche, s'tendant sur l'ensemble du manteau, ceux d'une convection en deux couches, l'une dans le manteau suprieur et l'autre dans le manteau infrieur. Est-il possible de trancher en faveur de l'une ou l'autre de ces hypothses? Des indices peuvent tre trouvs dans les diffrentes disciplines de la gophysique. Le premier concerne la profondeur maximale laquelle les plaques lithosphriques plongent dans le manteau terrestre, au niveau des zones de subduction. Les sismologues observent qu'en certains endroits, comme au niveau de la subduction Izu Bonin (au large du Japon), la plaque lithosphrique s'enfonce jusqu' une profondeur de 670 km, puis elle ce dforme et flotte pendant prs de 1000 km sur cette limite, ce qui serait compatible avec l'hypothse d'une convection en deux couches. En d'autres endroits, comme sous les les Mariannes, la plaque s'enfonce au del de la discontinuit des 670 km, pntrant de se fait dans le manteau infrieur, suggrant au contraire l'existence d'changes entre le manteau suprieur et le manteau infrieur.

De mme, de nombreux chercheur pensent qu'il existe une variation de la composition chimique de part et d'autre de la discontinuit des 670 km, dont l'origine serait rechercher dans la cristallisation d'un ocan magmatique peu aprs la formation de la Terre ou dans une fusion partielle extensive du manteau (comme les minraux d'une roche ne fondent pas tous la mme temprature, le taux de fusion peut varier de quelques % une dizaine de % de la roche). D'autre chercheur pensent au contraire que le manteau est homogne chimiquement, ce qui tmoignerait d'un brassage trs efficace, et par consquent, d'une convection globale en une seule couche.

Frontire ou non, il est vident que la discontinuit des 670 km joue un rle fondamentale sur la structure globale des courant de matire dans le manteau. Qu'advient-il si nous l'intgrons dans les simulations numriques? Des expriences de laboratoire en 1977 ont permis de prciser les conditions de transformation de l'olivine sous l'effet de la pression et de la temprature. Vers 670 km, la structure de type spinelle se transforme en un mlange de minraux de type perovskite et magnsiowstite. Cette raction est endothermique, c'est--dire qu'elle consomme de l'nergie. Dans un diagramme pression temprature, la courbe qui marque la limite entre les domaines d'existence des deux phases se caractrise par une pente ngative, en l'occurrence -2,5.106 Pa/K. Cette pente mesure la quantit d'nergie mise en jeu lors du changement de phase. Comment un tel changement de phase endothermique peut-il sparer la convection en plusieurs couches? Les premiers calculs numriques prenant en compte l'effet d'un changement de phase endothermique sur la structure de la convection ont t raliss en gomtrie cartsienne. Mais les valeurs de la pente pour lesquelles on a obtenu une sparation en deux couches taient trop leves pour le manteau terrestre.

Graphique reprsentant les changements de phase de l'olivine.

Diagramme pression/temprature de l'olivine.


Des progrs trs important ont t faits depuis le dbut des annes 1990 grce la prise en compte de conditions beaucoup plus proches de celles du manteau terrestre comme le comportement chaotique, la gomtrie sphrique, la compressibilit des matriaux et le chauffage interne radioactif. Le rsultat le plus marquant de ces calculs numriques est la sensibilit de la structure globale de la convection la valeur de la pente de la courbe de Clapeyron. L'influence est particulirement sensible dans une troite bande de valeur proche de celle des minraux du manteau. Pour une pente nulle, le changement de phase se produit sans consommer ni dgager de chaleur, il n'influe donc pas sur la temprature du manteau et ne modifie pas la convection, dont les courants embrassent la totalit du manteau. En revanche, si l'on considre un changement de phase fortement endothermique (pente de -4.106 Pa/K), sous un courant de convection descendant, l o la temprature est la plus basse, le changement de phase se produira une profondeur plus grande. Comment cela se traduit-il? Les matriaux descendant du manteau suprieur possdent une densit moindre que ceux du manteau infrieur (le changement de phase se traduit par une augmentation importante de la densit, de l'ordre de 10%). Ils flottent sur la discontinuit sans pouvoir la traverser et, par consquent, ne peuvent atteindre la profondeur o ils pourraient se transformer en une phase plus dense. Un mcanisme analogue se produit pour les courants montants du manteau infrieur qui, plus denses, sont bloqus sous la discontinuit.

Aucune traverse de liquide n'est possible et la convection s'organise en deux couches distincts. Dans le cas intermdiaire, pour une pente de -2.106 Pa/K, trs proche des valeurs observes pour les matriaux du manteau terrestre, un rgime de convection intermittent s'installe. La traverse de la discontinuit est difficile: les courant de convection descendants s'y accumulent jusqu' ce qu'un seuil critique soit atteint. De brutales avalanches entranent alors de grandes quantits de manteau suprieur vers le manteau infrieur et les projettent en nappes sur la surface du noyau. De nouvelles instabilits s'accumulent nouveau sur la discontinuit et de nouvelles avalanches les entranent. Voici pour les rsultats des modles. Qu'en est-il des observations? Ces trois types de convection - en une couche, deux couches ou intermittente - se traduisent par des taux de mlange du manteau infrieur et suprieur trs diffrents.

Dans le cas d'une convection une couche, les modles numriques montrent que le brassage entre manteau infrieur et suprieur est efficace, que des quantits de matire quivalentes plusieurs fois le manteau auraient travers la discontinuit depuis l'origine de la Terre. En revanche, dans le cas du modle deux couches, cette quantit se rduit quelques pour cent. Le comportement le plus intressant reste toutefois celui du rgime intermitent ponctu par de violents pisodes de mlanges. Ces bouleversements se produisent des intervalles de temps irrguliers, de 500 700 millions d'annes environ, comparable ceux des pisodes tectoniques majeurs comme la formation et la rupture des supercontinents.

Dans cette configuration, le taux de mlange s'lve environ 20% du manteau infrieur par milliard d'annes. Si l'on considre que des mcanismes d'extraction et de diffrenciation sont toujours actifs dans le manteau suprieur, cela est suffisant pour conserver un manteau suprieur et un manteau infrieur de composition chimique diffrente. Ces rsultats sont en accord avec les tudes gochimiques de Claude Allgre et Eric Lewin, de l'Institut de physique du globe de Paris, qui divisent le manteau en plusieurs rservoirs chimiquement distincts. Dans ce cas, compte tenu des compositions actuelles des roches basaltiques mises lors de la cration de la croucirc;te ocanique au niveau des dorsales, et de celles des roches continentales, des bilans de masse montrent que le volume du manteau suprieur n'est pas suffisant pour rendre compte de la quantit actuelle de crote continentale. Il faudrait qu'il soit de 20% agrave; 60% plus important.

Cela ne peut pas se concevoir dans le cadre d'une convection en une seule couche. En revanche, il s'agit l d'un argument trs fort en faveur d'une convection intermittente entre manteau suprieur et infrieur. Lors de ces vnements, l'apport massif, brutal et tendu de matire froide au niveau de la discontinuit manteau-noyau provoque une isolation thermique qui conduit une accumulation de chaleur dans la couche intermdiaire entre le noyau et le manteau, appele aussi couche D. Le trop-plein d'nergie accumul pourrait alors tre librer par des instabilits soudaines susceptibles de provoquer des vnements volcanique de grande amplitude comme les trapps du Deccan en Inde. Cette immense province volcanique qui s'tend sur plusieurs millions de kilomtres carrs s'est mise en place il y a environ 65 millions d'annes et ce, en l'espace de moins d'un million d'annes, un temps trs court l'chelle des temps gologiques. L'estimation du volume de matriau du manteau ncessaire pour produire les quantits de lave observes en surface montre que le panache thermique tait trs volumineux et qu'il devait s'tendre jusque dans le manteau infrieur. L'isolation thermique du noyau, provoque par les pisodes de mlange, pourrait se traduire par un ralentissement des mouvements de convection dans le fer en fusion du noyau liquide et donc par des perturbations de l'amplitude et des renversements du champ magntique.

Etape 1 d'une simulation montrant les effets du passage de la discontinuit par un morceau du manteau suprieur dans le manteau infrieur. Etape 2 d'une simulation montrant les effets du passage de la discontinuit par un morceau du manteau suprieur dans le manteau infrieur. Etape 3 d'une simulation montrant les effets du passage de la discontinuit par un morceau du manteau suprieur dans le manteau infrieur. Etape 4 d'une simulation montrant les effets du passage de la discontinuit par un morceau du manteau suprieur dans le manteau infrieur.
Existe-t-il d'autre indices permettant de trancher en faveur de l'un de ces trois types de convection? Les variations locales de densit et les dformations des frontires (au niveau du noyau, de la surface ou bien de la discontinuit des 670 km) modifient le champ de gravit de la Terre. Un courant de convection ascendant sera caractris par une temprature plus leve et donc par une anomalie ngative de densit. En revanche, la dformation provoque une anomalie positive de densit puisque la roche remplace l'eau ou l'air. L'anomalie finale du champ de gravit est donc la diffrence entre les deux. Bien sr, il ne s'agit pas l de retrouver les topographies et champs de gravit exacts de la Terre (la nature chaotique de la convection s'y oppose), mais simplement de vrifier s'il est compatible avec les proprits des grandeur gophysiques. Les grandes longueurs d'onde de la topographie dynamique, celles qui sont dues aux courants de convection profonds dans le manteau, sont de faible amplitude la surface de notre plante (de l'ordre de quelques centaines de mtres). Les modles de convection en une couche crent des topographies trop fortes qui ne permettent pas de respecter cette contrainte malgr une restitution correcte des anomalies de champ de gravit. Une convection en deux couches gnre quant elle des dformations topographiques compatibles la fois avec celles observes par la sismologie pour la frontire noyau manteau et la discontinuit des 670 km, mais aussi avec celles observes par la godsie pour la surface de la Terre.

Diffrentes quipes de chercheurs dans le monde ont tabli indpendamment et presque simultanment l'existence d'une convection intermittente dans le manteau sous l'effet du changement de phase des 670 km. Ceci offre une explication thorique rigoureuse l'existence d'une convection intermdiaire entre une et deux couches. La possibilit d'obtenir ces intermittences de mlange entre rservoir suprieur et infrieur contribue enrichir le dbat sur la structure du manteau tout en rendant compte des autre modles gophysiques et des observations.

La comprhension ou mme la visualisation de la dynamique globale du manteau terrestre pouvait sembler un pari impossible voici seulement quelques dizaines d'annes. Bien que les modles doivent tre encore amliors, notamment par la prise en compte de lois de viscosit dpendantes de la temprature et de la pression, par la prise en compte des processus du fusion partielle et des interaction entre le manteau et la tectonique des plaques, ce pari semble en passe d'tre gagn. Une convergence exemplaire des rsultats des diffrentes disciplines de la gophysique: sismologie, godsie, gochimie, physique des matriaux et modlisation numrique en tmoigne. Les cadres thoriques ainsi labors dbordent de la gophysique terrestre pour s'appliquer galement la dynamique des manteaux des autres plantes telluriques du systme solaire. Ce sont principalement Vnus et Mars, pour lesquelles les sondes spatiales automatiques nous ont rvl les champs de gravit et la topographie.

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