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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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.

Figure 1. Introduction


Figure 2. 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


Figure 4. 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

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




   

Généralité sur la convection

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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.





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


Figure 16. Définition de couche limite-thermique


Figure 17. Version imagée de la convection









Figure 25. Modélisation numérique de la convection


Le nombre de Rayleigh

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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.




Figure 29. Modélisation numérique de la convection

Ra<1000 ou 1000<Ra<2000


Figure 30. Modélisation numérique de la convection

Ra=104 et Ra=105


Figure 31. Modélisation numérique de la convection

Ra=106 et Ra=107


Figure 32. Modélisation numérique de la convection

Ra=108


   

Calcul du nombre de Rayleigh du manteau

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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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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.



Figure 49. Coupe tomographique de l'océan Atlantique



Figure 51. Coupes tomographiques montrant la lithosphère subduite


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


Figure 53. Mouvement absolu des plaques lithosphériques




Les points chauds

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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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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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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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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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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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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.

Figure 96. Autres planètes silicatées actives étudiées


Figure 97. Style de convection et viscosité


Figure 98. Importance de l'hydratation du manteau


Figure 99. Cas de Vénus et d'Io


Figure 100. Cas d'Encelade