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 connaître toutes les caractéristiques. Cette convection est-elle uniforme sur l'ensemble du manteau ou bien existe-t-il plusieurs niveaux de convection indépendants? Les modélisations numériques permettent aujourd'hui d'apporter des réponses satisfaisantes à ces questions et d'envisager un type intermédiaire de convection compatible avec les observations des géophysiciens. L'enjeu de ces études est de taille. La compréhension de la convection mantellique est en effet liée à celle de ces manifestations en surface comme les tremblements de terre et les éruptions volcaniques.

La convection mantellique est le moteur de la dérive des continents en surface. Mais quelle forme revêt-elle en profondeur? Répondre à cette question est très difficile. A l'exception de quelques forages (les plus profonds dépassent tout juste une dizaine de kilomètres, ce qui est peu comparé au diamètre de la Terre), les seuls témoins directs du manteau sont représentés par les massifs ophiolitiques, fragments de lithosphère océanique entraînés sur les continents, ou encore les morceaux de roches que les laves de certains volcans (comme les kimberlites qui fournissent également les diamants) arrachent au cours de leur remontée vers la surface. Ce sont là nos seuls contacts directs avec les matériaux du manteau terrestre.

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

Représentation d'une convection du manteau terrestre à un seul niveau.

Schéma représentatif d'une convection du manteau terrestre à un niveau.


Représentation d'une convection du manteau terrestre à deux niveaux.

Schéma représentatif d'une convection du manteau terrestre en deux niveaux.


A la différence d'un solide, qui ne transmet la chaleur que par conduction, un fluide conduit la chaleur mais peut aussi en transporter par le déplacement relatif de ses molécules: c'est l'advection. La convection d'un fluide résulte de la combinaison de ces deux modes de transfert. Elle naît dans une couche de fluide rendue instable par la présence de fluide plus dense surmontant un fluide plus léger. Dans le cas de la convection thermique, celle qui nous intéresse pour le manteau terrestre, ce sont les variations locales de densité, elles-mêmes dues à la dilatation thermique (un corps dont la température s'élève devient moins dense) qui sont à l'origine de cette instabilité. Dans ce cas, si une particule subit le moindre déplacement, par exemple vers le haut, elle se trouve environnée de fluide plus dense puisque plus froid.

Sous l'effet de la poussée d'Archimède, elle a tendance à remonter comme un bouchon. Cependant, ce phénomène est freiné par les frottements liés à la viscosité du fluide et par la diffusion de la chaleur - la différence de température à l'origine de la différence de densité tend en effet à disparaître par la conduction thermique avec le milieu environnant. Ces deux effets tendent donc à amortir les mouvements convectifs induits par la différence de température.

Le bilan de ces trois effets - poussée d'Archimède, résistance au mouvement et équilibrage des température par conduction - est exprimé au travers d'un seul paramètre, le nombre de Rayleigh. Ce nombre sans dimension est proportionnel à la différence de température entre le haut et le bas de la couche fluide. Les mouvements du fluide n'apparaissent que si le nombre de Rayleigh est supérieur à un certain seuil critique de l'ordre de 1000.

Equation du nombre de Raylet

Equation du nombre de Raylet.


Bien que les principes qui régissent le phénomène de convection soient très simple et connus depuis longtemps, les équations, appliquées au manteau de la Terre, deviennent très complexes. Surtout lorsque des paramètres tels que la chaleur apportée par la décomposition des éléments radioactifs du manteau, la compressibilité des roches ou les changements de phases sont pris en compte.

Le nombre de Rayleigh dépend, non seulement de la différence de température appliquée au système, mais aussi des propriétés physiques du fluide (coefficient de dilatation thermique, viscosité, conductivité thermique) et des conditions expérimentales comme l'épaisseur de la couche de fluide et la valeur du champs de gravité. Ce nombre, dans le cas du manteau, est élevé puisque l'on estime qu'il est compris entre 106 et 107, c'est-à-dire mille ou dix mille fois le seuil critique au-delà duquel la convection commence.

Quelle forme revêt la convection du manteau terrestre?

Un débat oppose actuellement encore les partisans d'une convection en une seule couche, s'étendant sur l'ensemble du manteau, à ceux d'une convection en deux couches, l'une dans le manteau supérieur et l'autre dans le manteau inférieur. Est-il possible de trancher en faveur de l'une ou l'autre de ces hypothèses? Des indices peuvent être trouvés dans les différentes disciplines de la géophysique. Le premier concerne la profondeur maximale à laquelle les plaques lithosphériques 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 lithosphérique s'enfonce jusqu'à une profondeur de 670 km, puis elle ce déforme et flotte pendant près de 1000 km sur cette limite, ce qui serait compatible avec l'hypothèse d'une convection en deux couches. En d'autres endroits, comme sous les îles Mariannes, la plaque s'enfonce au delà de la discontinuité des 670 km, pénétrant de se fait dans le manteau inférieur, suggérant au contraire l'existence d'échanges entre le manteau supérieur et le manteau inférieur.

De même, de nombreux chercheur pensent qu'il existe une variation de la composition chimique de part et d'autre de la discontinuité des 670 km, dont l'origine serait à rechercher dans la cristallisation d'un océan magmatique peu après la formation de la Terre ou dans une fusion partielle extensive du manteau (comme les minéraux d'une roche ne fondent pas tous à la même température, le taux de fusion peut varier de quelques % à une dizaine de % de la roche). D'autre chercheur pensent au contraire que le manteau est homogène chimiquement, ce qui témoignerait d'un brassage très efficace, et par conséquent, d'une convection globale en une seule couche.

Frontière ou non, il est évident que la discontinuité des 670 km joue un rôle fondamentale sur la structure globale des courant de matière dans le manteau. Qu'advient-il si nous l'intégrons dans les simulations numériques? Des expériences de laboratoire en 1977 ont permis de préciser les conditions de transformation de l'olivine sous l'effet de la pression et de la température. Vers 670 km, la structure de type spinelle se transforme en un mélange de minéraux de type perovskite et magnésiowûstite. Cette réaction est endothermique, c'est-à-dire qu'elle consomme de l'énergie. Dans un diagramme pression température, la courbe qui marque la limite entre les domaines d'existence des deux phases se caractérise par une pente négative, en l'occurrence -2,5.106 Pa/K. Cette pente mesure la quantité d'énergie mise en jeu lors du changement de phase. Comment un tel changement de phase endothermique peut-il séparer la convection en plusieurs couches? Les premiers calculs numériques prenant en compte l'effet d'un changement de phase endothermique sur la structure de la convection ont été réalisés en géométrie cartésienne. Mais les valeurs de la pente pour lesquelles on a obtenu une séparation en deux couches étaient trop élevées pour le manteau terrestre.

Graphique représentant les changements de phase de l'olivine.

Diagramme pression/température de l'olivine.


Des progrès très important ont été faits depuis le début des années 1990 grâce à la prise en compte de conditions beaucoup plus proches de celles du manteau terrestre comme le comportement chaotique, la géométrie sphérique, la compressibilité des matériaux et le chauffage interne radioactif. Le résultat le plus marquant de ces calculs numériques est la sensibilité de la structure globale de la convection à la valeur de la pente de la courbe de Clapeyron. L'influence est particulièrement sensible dans une étroite bande de valeur proche de celle des minéraux du manteau. Pour une pente nulle, le changement de phase se produit sans consommer ni dégager de chaleur, il n'influe donc pas sur la température du manteau et ne modifie pas la convection, dont les courants embrassent la totalité du manteau. En revanche, si l'on considère un changement de phase fortement endothermique (pente de -4.106 Pa/K), sous un courant de convection descendant, là oû la température est la plus basse, le changement de phase se produira à une profondeur plus grande. Comment cela se traduit-il? Les matériaux descendant du manteau supérieur possèdent une densité moindre que ceux du manteau inférieur (le changement de phase se traduit par une augmentation importante de la densité, de l'ordre de 10%). Ils flottent sur la discontinuité sans pouvoir la traverser et, par conséquent, ne peuvent atteindre la profondeur oû ils pourraient se transformer en une phase plus dense. Un mécanisme analogue se produit pour les courants montants du manteau inférieur qui, plus denses, sont bloqués sous la discontinuité.

Aucune traversée de liquide n'est possible et la convection s'organise en deux couches distincts. Dans le cas intermédiaire, pour une pente de -2.106 Pa/K, très proche des valeurs observées pour les matériaux du manteau terrestre, un régime de convection intermittent s'installe. La traversée de la discontinuité est difficile: les courant de convection descendants s'y accumulent jusqu'à ce qu'un seuil critique soit atteint. De brutales avalanches entraînent alors de grandes quantités de manteau supérieur vers le manteau inférieur et les projettent en nappes sur la surface du noyau. De nouvelles instabilités s'accumulent à nouveau sur la discontinuité et de nouvelles avalanches les entraînent. Voici pour les résultats des modèles. Qu'en est-il des observations? Ces trois types de convection - en une couche, deux couches ou intermittente - se traduisent par des taux de mélange du manteau inférieur et supérieur très différents.

Dans le cas d'une convection à une couche, les modèles numériques montrent que le brassage entre manteau inférieur et supérieur est efficace, que des quantités de matière équivalentes à plusieurs fois le manteau auraient traversé la discontinuité depuis l'origine de la Terre. En revanche, dans le cas du modèle à deux couches, cette quantité se réduit à quelques pour cent. Le comportement le plus intéressant reste toutefois celui du régime intermitent ponctué par de violents épisodes de mélanges. Ces bouleversements se produisent à des intervalles de temps irréguliers, de 500 à 700 millions d'années environ, comparable à ceux des épisodes tectoniques majeurs comme la formation et la rupture des supercontinents.

Dans cette configuration, le taux de mélange s'élève à environ 20% du manteau inférieur par milliard d'années. Si l'on considère que des mécanismes d'extraction et de différenciation sont toujours actifs dans le manteau supérieur, cela est suffisant pour conserver un manteau supérieur et un manteau inférieur de composition chimique différente. Ces résultats sont en accord avec les études géochimiques de Claude Allègre et Eric Lewin, de l'Institut de physique du globe de Paris, qui divisent le manteau en plusieurs réservoirs chimiquement distincts. Dans ce cas, compte tenu des compositions actuelles des roches basaltiques émises lors de la création de la croucirc;te océanique au niveau des dorsales, et de celles des roches continentales, des bilans de masse montrent que le volume du manteau supérieur n'est pas suffisant pour rendre compte de la quantité actuelle de croûte 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 là d'un argument très fort en faveur d'une convection intermittente entre manteau supérieur et inférieur. Lors de ces évènements, l'apport massif, brutal et étendu de matière froide au niveau de la discontinuité manteau-noyau provoque une isolation thermique qui conduit à une accumulation de chaleur dans la couche intermédiaire entre le noyau et le manteau, appelée aussi couche D. Le trop-plein d'énergie accumulé pourrait alors être libérer par des instabilités soudaines susceptibles de provoquer des évènements volcanique de grande amplitude comme les trapps du Deccan en Inde. Cette immense province volcanique qui s'étend sur plusieurs millions de kilomètres carrés s'est mise en place il y a environ 65 millions d'années et ce, en l'espace de moins d'un million d'années, un temps très court à l'échelle des temps géologiques. L'estimation du volume de matériau du manteau nécessaire pour produire les quantités de lave observées en surface montre que le panache thermique était très volumineux et qu'il devait s'étendre jusque dans le manteau inférieur. L'isolation thermique du noyau, provoquée par les épisodes de mélange, 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 magnétique.

Etape 1 d'une simulation montrant les effets du passage de la discontinuité par un morceau du manteau supérieur dans le manteau inférieur. Etape 2 d'une simulation montrant les effets du passage de la discontinuité par un morceau du manteau supérieur dans le manteau inférieur. Etape 3 d'une simulation montrant les effets du passage de la discontinuité par un morceau du manteau supérieur dans le manteau inférieur. Etape 4 d'une simulation montrant les effets du passage de la discontinuité par un morceau du manteau supérieur dans le manteau inférieur.
Existe-t-il d'autre indices permettant de trancher en faveur de l'un de ces trois types de convection? Les variations locales de densité et les déformations des frontières (au niveau du noyau, de la surface ou bien de la discontinuité des 670 km) modifient le champ de gravité de la Terre. Un courant de convection ascendant sera caractérisé par une température plus élevée et donc par une anomalie négative de densité. En revanche, la déformation provoque une anomalie positive de densité puisque la roche remplace l'eau ou l'air. L'anomalie finale du champ de gravité est donc la différence entre les deux. Bien sûr, il ne s'agit pas là de retrouver les topographies et champs de gravité exacts de la Terre (la nature chaotique de la convection s'y oppose), mais simplement de vérifier s'il est compatible avec les propriétés des grandeur géophysiques. 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 à la surface de notre planète (de l'ordre de quelques centaines de mètres). Les modèles de convection en une couche créent des topographies trop fortes qui ne permettent pas de respecter cette contrainte malgré une restitution correcte des anomalies de champ de gravité. Une convection en deux couches génère quant à elle des déformations topographiques compatibles à la fois avec celles observées par la sismologie pour la frontière noyau manteau et la discontinuité des 670 km, mais aussi avec celles observées par la géodésie pour la surface de la Terre.

Différentes équipes de chercheurs dans le monde ont établi indépendamment et presque simultanément l'existence d'une convection intermittente dans le manteau sous l'effet du changement de phase des 670 km. Ceci offre une explication théorique rigoureuse à l'existence d'une convection intermédiaire entre une et deux couches. La possibilité d'obtenir ces intermittences de mélange entre réservoir supérieur et inférieur contribue à enrichir le débat sur la structure du manteau tout en rendant compte des autre modèles géophysiques et des observations.

La compréhension ou même la visualisation de la dynamique globale du manteau terrestre pouvait sembler un pari impossible voici seulement quelques dizaines d'années. Bien que les modèles doivent être encore améliorés, notamment par la prise en compte de lois de viscosité dépendantes de la température 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'être gagné. Une convergence exemplaire des résultats des différentes disciplines de la géophysique: sismologie, géodésie, géochimie, physique des matériaux et modélisation numérique en témoigne. Les cadres théoriques ainsi élaborés débordent de la géophysique terrestre pour s'appliquer également à la dynamique des manteaux des autres planètes telluriques du système solaire. Ce sont principalement Vénus et Mars, pour lesquelles les sondes spatiales automatiques nous ont révélé les champs de gravitè et la topographie.

Haut de la page

Lien