La convection mantellique, mythes, réalités et questions

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire des Sciences de la Terre

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

02/04/2005

Résumé

Plan détaillé et diapositives d'une conférence traitant de la convection et de sa place dans la tectonique des plaques.


Cet article propose les illustrations d'une conférence faite pour l'APBG du Nord-Pas de Calais le 2 avril 2005. Cette conférence de 3 heures était basée sur 100 diapositives bien sûr largement commentées oralement. Mais les diapositives ont été conçues pour être aussi utilisables sans les commentaires oraux. Nous vous présentons donc cette conférence sous forme de plan détaillé, où sont incorporées les diapositives.

Cette conférence puise largement dans :

Pour chaque partie vous pouvez soit ouvrir directement le fichier des diapositives soit ouvrir séparément chaque image en cliquant sur son titre.

Introduction, clins d'œil historiques et définition du problème

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Figure 1. Introduction

Introduction

Figure 2. Le centre de la Terre (l'enfer) vu par un artiste du Moyen-Âge

Le centre de la Terre (l'enfer) vu par un artiste du Moyen-Âge

Miniature du XVème siècle, illustrant La Cité de Dieu, de Saint Augustin, BNF


Figure 3. L'enfer représenté sur la cathédrale de Bourges

L'enfer représenté sur la cathédrale de Bourges

Figure 4. Le centre de la Terre imaginé au 17ème siècle

Le centre de la Terre imaginé au 17ème siècle




Figure 8. Chaine volcanique des Empereurs-Hawaii vue sur une carte topographique de l'océan Pacifique

Chaine volcanique des Empereurs-Hawaii vue sur une carte topographique de l'océan Pacifique

Cette chaîne est le résultat de la dérive de la plaque Pacifique au-dessus d'un point chaud.




   

Cette partie de 10 diapositives se termine par deux schémas ultra classiques (diapositive 10), qui sont annoncés comme faux et/ou maladroits. Ces deux schémas seront repris dans l'avant dernière partie.

Généralité sur la convection

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Figure 15. Schéma représentatif d'un schéma d'un système convectif

Schéma représentatif d'un schéma d'un système convectif

Figure 16. Définition de couche limite-thermique

Définition de couche limite-thermique

Figure 17. Version imagée de la convection

Version imagée de la convection








Figure 25. Modélisation numérique de la convection

Modélisation numérique de la convection

Ce sont 12 diapositives illustrant les principes physiques généraux de la convection. On distingue bien la conduction/diffusion de la convection thermique, on définit la "couche limite thermique"" (qui s'avèrera correspondre à la lithosphère dans les paragraphes suivants). Les diapositives 19 à 23 séparent les deux cas de convection thermiques : la convection avec un chauffage par le bas (avec ascension et descente actives), ou celle avec un chauffage interne dans la masse (avec descente active et ascension passive). Ce deuxième paragraphe se termine par deux petits films illustrant ces deux types de convections.

Le nombre de Rayleigh

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Figure 29. Modélisation numérique de la convection

Modélisation numérique de la convection

Ra<1000 ou 1000<Ra<2000


Figure 30. Modélisation numérique de la convection

Modélisation numérique de la convection

Ra=104 et Ra=105


Figure 31. Modélisation numérique de la convection

Modélisation numérique de la convection

Ra=106 et Ra=107


Figure 32. Modélisation numérique de la convection

Modélisation numérique de la convection

Ra=108


   

Il s'agit de définir le nombre de Rayleigh, nombre sans dimension qui permet de caractériser la "convectabilité" d'un système. Il y a convection si ce nombre de Rayleigh Ra est > 2000.

Calcul du nombre de Rayleigh du manteau

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Figure 43. Calcul de la valeur de Ra du manteau terrestre et conclusion

Calcul de la valeur de Ra du manteau terrestre et conclusion


Figure 45. La lithosphère et les dorsales dans ce modèle

La lithosphère et les dorsales dans ce modèle

   

Le nombre de Rayleigh dépend de 6 paramètres, dont la valeur de la viscosité et l'écart de température entre le haut et le bas d'un système. En 12 diapositives, nous estimons ces deux paramètres pour le manteau terrestre, et nous concluons que le manteau terrestre doit "théoriquement" convecter. La figure 43 donne la température dans toute la Terre, de la surface jusqu'au centre ; la figure 44 définit la lithosphère océanique comme la couche limite thermique.

Résumé et conclusion partielle

Nous résumons ce qui précède, l'appliquons à ce qu'on sait de la Terre, et introduisons ce qui va suivre :

  • Le manteau "doit" (théoriquement) convecter.
  • La lithosphère (océanique) est la couche limite thermique (supérieure) du système convectif.
  • Le manteau représente 85% du volume de la Terre. Il produit la majorité de l'énergie de la Terre,
  • Le noyau avec ses 14% du volume produit encore moins d'énergie, car U, Th et K sont très "sidérophobes".
  • Donc théoriquement, dans le manteau terrestre, il y a " descente active " et " montée passive ". "Théoriquement ", les subductions sont motrices , et les dorsales sont passives .
  • Le peu d'énergie produit dans le noyau peut entraîner une remontée active très limitée.

Vérification observationnelle du « rôle » actif des subductions et passif des dorsales

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Figure 49. Coupe tomographique de l'océan Atlantique

Coupe tomographique de l'océan Atlantique


Figure 51. Coupes tomographiques montrant la lithosphère subduite

Coupes tomographiques montrant la lithosphère subduite

Figure 52. Explication de la "stagnation" à 670 km

Explication de la "stagnation" à 670 km

Figure 53. Mouvement absolu des plaques lithosphériques

Mouvement absolu des plaques lithosphériques



La tomographie sismique montre « magnifiquement l'importance des subduction et la "superficialité" des dorsales. Deux autres données montrant la faible importance motrice des dorsales sont exposées.

Les points chauds

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Figure 56. Exemple d'Hawaii

Exemple d'Hawaii

Figure 57. Coupe tomographique sous l'Islande

Coupe tomographique sous l'Islande





Il s'agit de 6 figures expliquant ce que sont les points chauds, et comparant l'importance de la convection type "point chaud " par rapport à la convection type "subduction + dorsale".

Modélisation analogique de la convection

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Il s'agit de quelques exemples de simulation réalisables en classes. Si on arrive bien à simuler les points chauds, on n'arrive pas à simuler les subductions. La figure 66 propose une explication.

Quelques calculs élémentaires, et quelques considération supplémentaire sur les subductions

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Figure 76. Modélisation analogique d'un "Roll back"

Modélisation analogique d'un "Roll back"

Figure 77. Conclusion

Conclusion

   

Il s'agit de calculs simples (pour ne pas dire simplistes) réalisables par des élèves, permettant de calculer "facilement" la hauteur d'une dorsale, la poussée d'une dorsale, la traction d'une subduction ; cette traction s'avère 10 fois plus forte que la poussée d'une dorsale. Les 2 types de subduction sont ensuite détaillés.

L'influence de la croûte océanique

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Figure 79. Équation de base

Équation de base



Figure 82. Conséquence de l'éclogitisation (2/2)

Conséquence de l'éclogitisation (2/2)


Ces 6 figures illustrent le rôle de flotteur de la croûte basaltique, mais le rôle de "lest" de la croûte éclogitisée.

Les problèmes en suspens, et quelques représentations globales intégrant tout ce qui précède

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Figure 87. Localisation du magmatisme

Localisation du magmatisme

Il s'agit d'une liste (non exhaustive) des principales questions en suspens, et de 3 schémas globaux récapitulant ce qu'on pense (en 2005) de la convection mantellique

Les maladresses et erreurs à ne plus commettre

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Figure 91. Maladresses du second schéma

Maladresses du second schéma

Figure 92. Remarque sur des expressions couramment entendues

Remarque sur des expressions couramment entendues

Figure 93. Casserole chauffée par le bas et convection mantellique

Casserole chauffée par le bas et convection mantellique

Figure 94. Remarque sur l'image du tapis roulant

Remarque sur l'image du tapis roulant


 

Il s'agit d'une reprise des schémas d'introduction, en insistant sur les erreurs et maladresses qu'ils contiennent, et en les corrigeant. Les 4 dernières figures correspondent à des lieux communs et expressions toutes faites extrêmement classiques, mais on ne peut plus maladroits et inducteurs d'erreurs.

la convection mantellique des autres planètes telluriques

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Figure 96. Autres planètes silicatées actives étudiées

Autres planètes silicatées actives étudiées

Figure 97. Style de convection et viscosité

Style de convection et viscosité

Figure 98. Importance de l'hydratation du manteau

Importance de l'hydratation du manteau

Figure 99. Cas de Vénus et d'Io

Cas de Vénus et d'Io

Figure 100. Cas d'Encelade

Cas d'Encelade

 

Il s'agit de montrer que, s'il existe plusieurs planètes dont le manteau convecte, seule la Terre a développé une convection de type "plaque". Le rôle de l'eau est proposée comme explication.