La découverte de la convection mantellique

Vincent Deparis

Lycée Jean Monnet - Annemasse
 

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

01/06/2011

Résumé

Approche historique de la découverte de la convection mantellique et de son rôle dans la dérive des continents.


Cet article fait partie de la série de 4 articles écrits par Vincent Deparis et/ou Pierre Thomas et consacrés à l'histoire de la tectonique des plaques  : La dérive des continents de Wegener, La découverte de la convection mantellique, Histoire de la théorie de la tectonique des plaques et La tectonique des plaques de 1970 à 2011.

Les courants de convection ont aujourd'hui une importance considérable dans le fonctionnement de la Terre puisque l'on suppose qu'ils affectent l'ensemble du manteau et qu'ils sont liés au déplacement des plaques lithosphériques en surface. Leur existence et leur lien avec les mouvements superficiels ne se sont cependant imposés que très tardivement, dans les années 1960...

La convection, un mode de transport de la chaleur

Lorsque la température d'un milieu n'est pas homogène, la chaleur peut être transportée des milieux « chauds » vers les milieux « froids » par différents processus :

  • La conduction thermique , qui permet la diffusion de la chaleur à travers un milieu statique par la propagation des vibrations du réseau atomique.
  • Le rayonnement électromagnétique dans le cas d'un milieu transparent.
  • La convection , qui permet un transport de la chaleur par la matière elle-même en mouvement.

La découverte de la convection comme processus de transfert de la chaleur est due à Rumford en 1797, mais les véritables investigations expérimentales et théoriques ne datent que du début du XXème siècle. Les expériences décisives sont réalisées en 1900 par Bénard qui étudie l'organisation de la convection dans des couches de fluides visqueux chauffés par la base (la viscosité d'un fluide traduit sa résistance à l'écoulement – le miel est par exemple plus visqueux que l'eau). Bénard montre que lorsque le chauffage dépasse une certaine valeur critique, la conduction n'est plus assez efficace pour évacuer toute la chaleur et la convection prend le relai : la matière du fond, plus chaude et plus légère, s'élève, se refroidit en surface, devient plus dense et retombe. Le transfert de la chaleur se fait par une circulation organisée de la matière avec des courants ascendants chauds et des courants descendants froids.

Boussinesq , en 1901, ébauche une première théorie de la convection, complétée par Lord Rayleigh en 1916. Ce dernier montre que les forces motrices des mouvements convectifs sont les forces d'Archimède, dues aux différences de densité, elles même dues au différences de température. Pour que la convection puisse s'établir, il faut que les forces motrices soient supérieures aux forces visqueuses de frottement. La condition est remplie si le rapport des forces motrices (les forces d'Archimède) sur les forces visqueuses, rapport appelé nombre de Rayleigh, dépasse une certaine valeur, nommée le Rayleigh critique.

Figure 1. John William Strutt Lord Rayleigh (1842-1919)

John William Strutt Lord Rayleigh (1842-1919)

Les premières applications de la convection à la Terre

Une cause possible pour l'orognèse

Hopkins est le premier, en 1839, à discuter de la convection terrestre. Il pense cependant que la convection ne peut survenir que dans des milieux fluides en sorte qu'elle n'a pu être effective qu'au début de l'histoire de la Terre, alors en état de fusion. Les premières applications de la convection à des problèmes géologiques concerne l'orogenèse. Dans son livre Physics of the Earth's Crust , paru en 1881, Fisher affirme que la Terre continue d'être brassée par des mouvements de matière et propose la première application tectonique : la friction exercée par les courants à la base de la croûte doit induire la formation d'une montagne le long des marges continentales, là où deux systèmes de courants opposés se rencontrent et s'incurvent vers l'intérieur de la Terre. L'idée, on le verra, sera largement reprise par la suite.

La Terre solide peut-elle convecter ?

Au début du XXème siècle, les connaissances sur l'état physique de l'intérieur du globe évoluent considérablement. L'analyse des déformations élastiques de la Terre sous l'effet des marées et du mouvement chandlérien (un mouvement de l'axe de rotation du globe) et surtout le développement de la sismologie montrent sans aucun doute possible que le manteau terrestre, qui représente 84% du volume de la Terre, est entièrement solide, sur toute son épaisseur. Comment un milieu solide pourrait-il convecter ? Le problème est complexe et sa solution réside dans la possibilité d'un comportement multiple pour les solides en fonction de la durée d'application des forces qui agissent sur eux. La Terre réagit comme un corps élastique lorsqu'elle est soumise à des sollicitations brèves (propagation des ondes sismiques, avec des vibrations dont la période est voisine de la seconde, des marées, avec des déformations dont la période est voisine de 12h) : elle se déforme instantanément d'une valeur finie et retrouve son état initial lorsque la sollicitation est supprimée. Au contraire, lorsque les sollicitations sont prolongées, elle acquiert une déformation visqueuse, qui est irréversible et qui croît avec le temps. La Terre « s'écoule » alors comme un fluide visqueux : on dit qu'elle flue. Ce fluage de la Terre est mis en évidence par les mouvements d'ajustement isostatique qui correspondent à l'enfoncement progressif des régions surchargées par le poids des sédiments (comme les deltas) ou à l'élévation régulière des régions allégées par l'érosion ou par la fonte d'une calotte glaciaire (le bouclier scandinave). Ces déplacements verticaux de la croûte nécessitent un flux sub-crustal de matière et ont amené Barrell à introduire en 1915 la distinction essentielle entre la lithosphère, couche externe rigide et élastique, et l'asthénosphère, couche sous-jacente ductile et visqueuse, capable de se déformer d'une manière permanente et de permettre des courants de matière.

Le point controversé consiste à savoir si l'asthénosphère peut se déformer de façon visqueuse dès que des forces, même faibles mais maintenues pendant un temps suffisamment long, sont appliquées, ou si la déformation permanente (on parle alors d'une déformation plastique) ne débute que lorsque les forces appliquées dépassent une certaine valeur définissant le « seuil de plasticité » du matériau. Pour certains, qui constituent une large majorité et dont le chef de file est Jeffreys , l'asthénosphère possède un seuil de plasticité qui limite l'ampleur des déplacements de matière. D'autres supposent que le seuil de plasticité est nul, ce qui permet des développer des hypothèses sur la convection. Pour bien marquer que la divergence d'opinion est fondamentale et qu'elle se prolongera pendant les deux premiers tiers du XXème siècle, nous donnons une citation de 1959 de Gutenberg (auquel il est rendu hommage en appelant discontinuité de Gutenberg la discontinuité sismique noyau-manteau) : « La représentation théorique des processus de fluage n'est pas seulement compliquée par la difficulté à trouver des expressions adéquates pour les décrire, mais également par l'existence d'une contrainte minimale, la limite élastique (souvent appelée le seuil de plasticité) qui doit être dépassée par que le flux commence. Hélas les données des observations ainsi que la définition de la limite élastique sont plutôt vagues. (…) Nous devons en conclure que les données disponibles ne sont pas suffisantes pour formuler des affirmations claires et que l'ensemble du problème nécessite un éclaircissement »(B. Gutenberg, Physics of the Earth's Interiors , New York - Londres, Academic Press, 1959).

La prise en compte de la radioactivité

À la suite de Fisher, Ampferer , en 1906, et Schwinner , en 1919, postulent eux aussi que des courants convectifs existent au sein de la Terre et provoquent des compressions de la croûte. En 1921, Bull avance à son tour : « Il est suggéré ici que le plissement des chaînes de montagnes a pu être produit par la friction exercée par les mouvements de l'asthénosphère, et que ces mouvements peuvent être convectifs et résulter d'un chauffage inégal par les éléments radioactifs » (A.J. Bull, A hypothesis of mountain building , Geol. Mag., 58, 364-367, 1921, p. 364). L'idée de départ résulte de la découverte de la radioactivité, qui change radicalement les conceptions sur l'état thermique du globe. Sous l'influence de Lord Rayleigh, de Holmes et de Joly, la théorie du refroidissement et de la contraction thermique de la Terre, qui prédominait au XIXème siècle, est progressivement remise en cause et un mécanisme permettant l'évacuation de la chaleur s'avère nécessaire. De plus, la distribution des éléments radioactifs ne semble pas homogène. Principalement concentrés dans les couches supérieures du globe, ils sont plus abondants dans la croûte continentale que dans la croûte océanique. Cette inégale distribution produit un chauffage différentiel supposé à l'origine de courants de convection.

En 1927, Bull poursuit ses recherches sur les mouvements convectifs en les replaçant directement dans le cadre de la dérive des continents de Wegener, pour laquelle il prend parti : « La preuve en faveur de la dérive des continents est forte et apparaît de plus en plus fondée, et si, comme il semble probable, sa vérité est établie, alors la formation des montagnes deviendra un détail d'un ensemble plus large » (A.J. Bull, Some aspects of the mountain building problem , Proc. Geol. Assoc., 38, 145-156, 1927, p. 154). Il rappelle sa théorie de 1921 : « Une autre suggestion affirme qu'une force suffisante pour déplacer des parties importantes de la croûte peut provenir des mouvements de convection dans la matière située immédiatement au-dessous de la croûte, mais on dispose de peu de preuves à cet égard. Il est connu que la teneur radioactive des basaltes n'est pas uniforme et cela peut provoquer le chauffage inégal tant au-dessus qu'au-dessous de la croûte. Si, pour ces raisons, des mouvements se sont produits au-dessous de la croûte et si, en plus, ils ont pu exercer une friction suffisante sur la croûte, cela expliquerait alors beaucoup de choses. La dislocation du Gondwanaland permo-carbonifère avec l'Afrique au centre et la dérive de l'Inde vers le nord-est, de l'Australie vers l'est, de l'Antarctique oriental vers le sud-est et l'Amérique du sud à l'ouest, semblent suggérer la montée d'un tel courant de convection au-dessous de l'Afrique et son déplacement horizontal sous la croûte du Pacifique. Le passage d'un tel courant sous la croûte fine des océans pousserait les masses continentales à l'assisse plus profonde et aurait tendance à les déplacer vers l'extérieur »(Ibid., p. 155-156).

Même si Bull reste très prudent et s'il reconnaît que l'hypothèse des courants de convection est très spéculative, il montre clairement sa pertinence pour expliquer l'éclatement du Gondwana. Kirsch, en 1928, développe des idées similaires. En suivant des idées de Joly, il propose que le "sima" se réchauffe sous les continents en raison de leur haute teneur en éléments radioactifs, alors qu'il se refroidit sous les domaines océaniques. Une production excessive de chaleur aurait donc pu avoir lieu sous le socle continental, jadis d'un seul tenant, et provoquer son éclatement.

Les hypothèses de Bull et Kirsch sont pertinentes. Elles posent l'idée que les mouvements des continents peuvent être la manifestation en surface de mouvements profonds et que le mécanisme responsable des translations continentales est l'évacuation de l'énergie thermique contenue dans la Terre. Wegener, dans la dernière édition de son livre en 1928, connaît l'hypothèse de Kirsch : « Plusieurs auteurs, comme Schwinner et surtout Kirsch, ont utilisé récemment dans leurs études la notion de courants de convection dans le sima. (…) Nous avons déjà mentionné le fait que la plupart des auteurs considèrent jusqu'à présent comme invraisemblable une fluidité de l'ordre de grandeur de celle exigée par ces mouvements. Pourtant, on ne peut pas contester le fait que, si l'on considère la face de la terre, la fracture de la Gondwanie et le morcellement de l'ancien bloc continental nord-américano-euro-asiatique peuvent être conçus comme un effet d'une pareille circulation. Cette conception permet aussi une bonne explication de l'ouverture de l'océan Atlantique. Elle ne saurait donc être rejetée à cause de son incompatibilité avec les phénomènes constatés à la surface de la Terre. Si la base théorique de cette conception se montre fertile, ce qu'on ne constate pas encore, les courants qu'elle permet de considérer pourront entrer en ligne de compte dans la formation de la surface du globe » (A. Wegener, La genèse des continents et des océans , Préface, 1928 ; réédition, Paris, C. Bourgois, 1990, p. 171-172). En raison des réticences rencontrées, Wegener n'accorde qu'une place limitée à l'hypothèse des courants de convection et reste prudent pour affirmer qu'elle peut fournir le mécanisme, tellement absent, des translations.

La convection dans les années 1930-1940

Dans les années 1930-1940, les travaux sur la convection sont nombreux mais hétéroclites ; ils ne concernent que quelques personnalités isolées. Ces travaux touchent au moteur de la dérive des continents, à l'explication des anomalies gravimétriques, à des modélisations analytiques (calculs) ou à des expériences analogiques sur la formation des montagnes.

Convection et dérive : Holmes

Dans un exposé en janvier 1928, puis dans un long article en 1931, Holmes poursuit les réflexions de Bull et défend l'idée selon laquelle les mouvements de convection peuvent être le moteur de la dérive des continents de Wegener : « On peut conclure qu'il y a maintenant des preuves convaincantes de l'existence d'une dérive continentale à une échelle du même ordre que celle défendue par Wegener. (…) Beaucoup de géologues ont hésité à accepter cette lecture franche et logique des roches, parce qu'aucune force gravitationnelle ne semblait capable de déplacer les morceaux continentaux dans la bonne direction de l'Afrique vers le Pacifique » (A. Holmes, Radioactivity and Continental drift , Geological Magazine, 65, 1928, p. 237). Pour Holmes, ces objections ne sont plus valables car il existe un mécanisme tout à fait plausible pour expliquer les dérives continentales : « Il reste à considérer la suggestion heureuse que nous devons à A. J. Bull, à savoir que les courants de convection peuvent s'établir dans la strate inférieure en raison du chauffage différentiel par la radioactivité. Au lieu du magma basaltique mobile de Joly, on imaginerait une pyrosphère hautement visqueuse, chauffée inégalement jusqu'à de très grandes profondeurs. Un courant orienté vers le haut et semblable à un rideau se développerait sous la zone de la plus forte sortie de chaleur. En se retournant à la base du sial ou à côté de cette dernière, il exercerait une traînée puissante sur la surface inférieure dans deux sens opposé, conduisant ainsi à la formation d'un géosynclinal. Le courant de retour vers le bas serait naturellement à rechercher juste au-delà des bords continentaux. Une masse continentale serait en mesure d'avancer en butant sur le plancher océanique dense situé en avant d'elle. Au fur et à mesure du processus, la formation des montagnes serait engagée et à la fin la direction des courants serait inversée » (Ibid., p.238).

Figure 2. Arthur Holmes (1890-1965)

Arthur Holmes (1890-1965)

Source : The American Mineralogist, Journal of the Mineralogical Society of America, vol. 53, 1968


Holmes n'est pas un adhérent dogmatique de la dérive des continents, cherchant à trouver à tout prix un moteur aux translations. Il est plutôt concerné par le problème de la production de chaleur par les désintégrations radioactives et il cherche un mécanisme permettant l'évacuation de la chaleur interne. Son adhésion à la théorie de Wegener vient « après coup ». Voici comment il présente son article de 1931 : « Un des objets de cet article est de discuter d'un mécanisme pour décharger l'excès de chaleur, impliquant une circulation de matière dans le substratum par des courants de convection, et d'examiner la dérive des continents produites par de tels courants »(A. Holmes, Radioactivity and Earth movements , Trans. Geol. Soc. Glasgow, 18, 559-606, 1931, p. 565). Il est persuadé que la génération interne de chaleur par les désintégrations radioactives nécessite un processus de « décharge ». Il affirme : « Nous pouvons alors conclure que : a) si la croûte terrestre compense la perte de chaleur par conduction vers la surface et b) si le sous-sol n'a que 1/700e de la capacité de génération de chaleur par rapport à celle du basalte de plateau ; alors c) le sous-sol ne peut pas avoir suffisamment refroidi pour permettre la cristallisation et doit encore se trouver à l'étape de la circulation par convection et d) pour éviter le chauffage permanent, il faut un processus tel que la dérive des continents pour rendre possible l'émission de chaleur »(Ibid., p. 574). Il suppose, contrairement à Jeffreys, que le seuil de plasticité du substratum est très faible et qu'il n'empêche pas le développement des mouvements internes.

La géométrie de la convection qu'il imagine résulte d'une analogie avec la circulation de l'atmosphère. Il suppose d'abord une circulation planétaire (figure 3) et, parce qu'il considère une production de chaleur par désintégration radioactive plus importante à l'équateur qu'aux pôles (à cause de la présence du bourrelet équatorial dû à l'aplatissement de la Terre), il propose des courants ascendants au niveau de l'équateur et des courants descendants aux pôles. Toujours par analogie avec les vents, il suppose des systèmes cycloniques et anticycloniques superposés à la circulation générale. Ces systèmes secondaires naissent du chauffage différentiel dû aux variations dans la teneur en éléments radioactifs de la croûte. La circulation qui en résulte correspond à des courants ascendants sous le centre des régions continentales et des courants descendants en bordure des continents (figure 4). La dispersion des courants ascendants sous les continents met ceux-ci en tension, les fracture et les sépare en les entraînant. Il s'ensuit la formation d'un nouvel océan entre les blocs disjoints et cette création de nouvelle croûte océanique est le phénomène le plus efficace pour évacuer la chaleur interne.

Au niveau des marges continentales, où le continent bute sur le fond océanique, la croûte océanique se trouve comprimée et épaissie. Les hautes températures et les hautes pressions amènent des transformations minéralogiques avec un accroissement de la densité (formation d'éclogite). Ces blocs océaniques plus denses coulent dans le substratum, accélérant les courants froids descendants. La croûte continentale se trouve elle aussi épaissie et les racines des montagnes, incapables de couler en raison de leur légèreté, commencent à fondre et à donner naissance à une activité volcanique, comme pour la ceinture de feu du Pacifique.

Figure 3. Géométrie de la convection planétaire selon Holmes

Géométrie de la convection planétaire selon Holmes

A. Holmes, Radioactivity and Earth movements , Trans. Geol. Soc. Glasgow, 18, 559-606, 1931


Figure 4. Effets des courants de convection sous les continents selon Holmes

Effets des courants de convection sous les continents selon Holmes

A. Holmes, Radioactivity and Earth movements , Trans. Geol. Soc. Glasgow, 18, 559-606, 1931


Holmes estime la vitesse des courants subcrustaux à environ 5 cm/an, ce qui, par exemple, permet la formation de l'océan Atlantique en 100 millions d'années. Même s'il reconnaît les limites de son travail, il conclut en parlant de l'hypothèse des courants de convection : « Entre-temps, sa réussite géologique générale semble justifier son adoption provisoire en tant qu'hypothèse de travail remarquablement prometteuse » (Ibid., p. 600). Holmes montre ainsi une compréhension intuitive de la Terre étonnante. Trente ans avant la majorité de la communauté scientifique, il saisit le couplage entre les mouvements superficiels et internes et la possibilité d'une liaison entre les approches dynamique, thermique et géologique.

Ses idées prophétiques ne sont cependant pas suivies. Son travail ne soulève pas l'enthousiasme de ses contemporains. Même les critiques restent faibles. Jeffreys se contente d'affirmer en 1931 : « J'ai examiné assez longuement la théorie du professeur Holmes sur les courants de convection, et je n'ai trouvé aucun test qui pourrait l'appuyer ou la contredire. Autant que je peux voir, elle ne contient rien de fondamentalement impossible, mais l'association de conditions devant être réunies pour qu'elle puisse fonctionner appartient plutôt au domaine de l'extraordinaire » (Harold Jeffreys, in H. Frankel, Arthur Holmes and continental drift , The British Journal for the History of Science, 11, 38, 130-149, 1978, p.146).

Convection et anomalies gravimétriques : Vening Meinesz

En 1934, Vening Meinesz examine après Holmes l'hypothèse des courants de convection. Il affirme que ces courants sont hautement probables même s'il pense que leur distribution est très différente de celle suggérée par Holmes. Pour lui, les courants ont une dimension beaucoup plus réduite. Ils ne servent pas à mettre les continents en mouvement, ni à former des montagnes, mais seulement à expliquer la subsidence et les valeurs de la gravité dans certaines régions bien déterminées.

Son point de départ est l'analyse des anomalies gravimétriques en mer. Il attire l'attention sur des anomalies positives au niveau de bassins considérés par les géologues comme des régions continentales affaissées récemment. Il faut donc à la fois expliquer les anomalies positives et la subsidence : « Ainsi, nous sommes conduits à la seule explication que l'auteur est capable de trouver : le développement, dans le substratum, d'un courant descendant de convection. Un tel courant doit apporter un excès de masse [densité plus élevée], qui produit l'anomalie positive à la surface de la Terre. Dans le même temps, la surface du substratum au-dessus du courant descendant doit être plus basse que celle au-dessus des courants ascendants de convection associés, et ainsi la subsidence des régions s'accorde aussi avec cette hypothèse » (F. Vening Meinesz, Gravity Expeditions at Sea , p. 136).

Figure 5. Felix Vening Meinesz (1887-1966)

Felix Vening Meinesz (1887-1966)

In Bulletin géodésique, n°83, Association internationale de géodésie, Paris, 1967


Selon Vening Meinesz, les écarts à l'équilibre isostatique révélés par les mesures gravimétriques donnent des indices d'une Terre dynamique et peuvent fournir un moyen d'investigation précieux pour déterminer la géométrie des courants ascendants et descendants sous la surface de la Terre. Il inaugure ainsi les investigations de la gravimétrie moderne et les recherches pour la mise en évidence des variations latérales des paramètres physiques.

Convection et modélisations analytiques : Pekeris

Pekeris réalise en 1935 la première modélisation de la convection en supposant que la Terre se comporte comme un fluide visqueux. Il connaît les travaux qualitatifs de Holmes. Son but n'est pas d'établir l'existence des courants de convection mais de proposer une étude quantitative et de déterminer la géométrie des courants de convection à partir d'une distribution de la température interne donnée a priori . Les hétérogénéités latérales de température qui génèrent les mouvements sont superficielles et proviennent de la différence d'exposition du sol aux radiations solaires et de la différence de composition en éléments radioactifs. En supposant une géométrie très simpliste (deux continents polaires et un océan équatorial), Pekeris montre que la convection (le flux visqueux) s'organise en cellules avec des courants montants sous les continents et des courants descendants sous les océans (figure ci-dessous). Le système de courant qui s'établit est mondial et stable, c'est-à-dire indépendant du temps.


L'étude de Pekeris représente une très belle application de l'hydrodynamique à la Terre. Mais son caractère est trop général pour qu'elle puisse être confrontée aux observations et pour expliquer la distribution réelle de l'orogenèse. Elle montre des courants convectifs possédant un très haut degré de symétrie qui ne se retrouve pas dans les structures tectoniques, et de ce fait, elle ne peut pas intéresser les géologues.

Convection et expériences analogiques : Griggs

En 1939, Griggs défend l'idée selon laquelle la convection ne peut être qu'intermittente. Avant que la convection puisse démarrer, il faut que les bases de la cellule de convection s'échauffe progressivement en raison du flux de chaleur qui sort du noyau tandis que la surface se refroidit par évacuation de la chaleur vers l'espace. Le gradient thermique s'accroît et la convection se déclenche lorsque les différences de densité induites sont devenues suffisamment fortes pour vaincre les résistances de la matière. La matière chaude s'élève et finit par gagner la surface et la matière froide se retrouve à la base : la stratification normale des densités est rétablie et la convection s'arrête. Un nouveau cycle commence avec le réchauffement progressif de la base. Griggs estime que la période convective dure 60 millions d'années alors que la période de repos peut atteindre 500 millions d'années. Cependant les mouvements convectifs ne surviennent pas simultanément dans les différentes régions du manteau.

Griggs cherche également à élucider l'influence des courants de convection sur la croûte grâce à une série d'expériences sur des modèles réduits (figure suivante). Il utilise des matériaux qui, aux dimensions des expériences, reproduisent les propriétés des matériaux terrestres (lois de similitude d'échelle). Les courants de convection sont provoqués à l'aide d'un processus dynamique (rotation de tambours horizontaux). Lorsque deux tambours sont mis en mouvement en sens inverse l'un de l'autre, il se forme entre eux un épaississement. La succion de la croûte à l'emplacement des courants descendants joue un rôle important dans son épaississement. Lorsqu'un seul des tambours est mis en mouvement, un épaississement est également formé mais il prend une forme dissymétrique. La croûte qui surmonte le tambour est entraînée progressivement vers la zone d'épaississement et s'y engloutit. Griggs y voit l'image de la formation des chaînes qui entourent le Pacifique. Pour lui, les structures développées dans les modèles réduits sont révélatrices des structures observées sur la Terre. Il en conclut que l'hypothèse des mouvements de convection intermittents est très séduisante pour expliquer l'orogenèse : elle fournit une force compressive adéquate, permet une contraction locale suffisante et rend compte de la nature épisodique des processus orogéniques. Son étude marque les esprit car elle montre une articulation possible entre convection et orogenèse.


La Terre convective ou non convective ?

Dans les années 1950, l'hypothèse de la convection change de statut. Contrairement aux deux décennies précédentes, pendant lesquelles seules quelques personnalités s'y intéressaient, les discussions deviennent nombreuses et touchent toute la communauté scientifique, aussi bien le milieu géologique que géophysique. À cette époque, les courants de convection ne sont pas évoqués pour leurs implications avec la dérive des continents mais parce qu'ils fournissent une explication satisfaisante à l'orogenèse.

Vening Meinesz et autres partisans de la convection

Une décennie après Griggs, Vening Meinesz relance les études sur la convection de la Terre. En 1948, il écrit : « Le refroidissement de la Terre et sa relation à la formation des courants de convection est un sujet qui a beaucoup retenu l'attention des géologues et des géophysiciens. Jeffreys, Holmes, Schwinner, Pekeris et Griggs ont tous étudié le sujet, qui est l'un des problèmes principaux de l'histoire de la Terre. Il est clair que ces courants, s'ils étaient formés, ont dû soumettre la croûte terrestre à des forces de friction qui peuvent expliquer les phénomènes tectoniques. Certains autres phénomènes peuvent de même s'expliquer ainsi. L'hypothèse des courants de convection, outre la supposition que la Terre subit effectivement un refroidissement, est fondée sur la supposition que sous la croûte rigide il existe une couche plastique et homogène suffisamment épaisse pour permettre la formation de tels courants. On ne peut pas douter qu'à une profondeur de quelques dizaines de kilomètres sous la surface, la matière est d'une nature plastique, car sans cela il serait impossible d'expliquer l'isostasie dans des zones où de grandes masses superficielles ont été enlevées par l'érosion ou ajoutées par la sédimentation ; pour le réajustement de l'équilibre isostatique après ces changements de charge, nous devons supposer des mouvements de masse à des profondeurs de moins de 50 km, et cette supposition nécessite la présence de courants circulant sous l'effet de différences de pression relativement faibles » (F. Vening Meinesz, Major tectonic phenomena and the hypothesis of convection currents in the Earth , Quartely Journal of the Geological Society of London, 103, 1948, p. 191).

Vening Meinesz suppose que deux systèmes convectifs se superposent : l'un à grande échelle et profond et l'autre à plus petite échelle sous formes de rouleaux : « D'une part, nous pouvons présumer l'existence de courants de convection responsables de l'affaissement des bassins profonds dans des zones d'arcs d'îles tectoniques (par exemple la mer de Banda dans l'archipel indonésien), ces courants étant en même temps la raison des tremblements de terre profonds et intermédiaires dans ces régions. (…) D'autre part, on peut conjecturer l'existence de courants bien plus importants qui exercent une traînée plus puissante sur la croûte et induisent son flambage et les phénomènes superficiels associés de plissement et de chevauchement des bandes tectoniques de la Terre » (Ibid., p. 191).

Comme Griggs, Vening Meinesz défend le caractère intermittent des courants de convections : « Si nous supposons que la couche du courant a le caractère purement visqueux d'un liquide newtonien, quoique avec un degré de viscosité très élevé, nous devons alors admettre que les courants seraient produits par les plus petites différences de pression [Vening Meinesz semble oublier que le nombre de Rayleigh doit dépasser une valeur critique]. Puisque, en raison de la surface inégale de la Terre et des autres irrégularités de la croûte et de sa radioactivité, de petites différences de température doivent être présentes sur la totalité de sa surface, les courants de convection seraient actifs presque partout. Qui plus est, nous aurions des raisons de supposer que ces courants seraient soutenus, c'est-à-dire qu'ils dureraient pendant de longues périodes de l'histoire de la croûte. Les constatations ne semblent pas aller dans ce sens. D'une part, les courants ne sont manifestement pas présents sur la Terre entière, et d'autre part leur caractère paraît être plus ou moins périodique ou saccadé, provoquant, par exemple, tantôt l'affaissement de basins d'arcs d'îles, tantôt une activité tectonique dans les bandes orogéniques. Comme Griggs l'a suggéré en premier dans sa publication remarquable sur la formation des montagnes, un tel caractère peut s'expliquer en supposant que la couche des courants a une limite de résistance qu'il faut surmonter avant l'établissement d'un courant ; en d'autres termes, que cette couche est d'une nature plastique. En raison de cette caractéristique de la couche, le courant s'arrête après avoir réalisé environ une moitié de révolution, amenant la matière la plus chaude vers les parties supérieures et la matière la plus froide vers les parties inférieures » (Ibid., p. 192).

En 1958, Vening Meinesz est toujours le principal promoteur de l'hypothèse des courants de convection : « Pour résumer, on peut dire que les preuves de la présence de grands systèmes de courants dans le manteau au cours de certaines périodes de l'histoire de la Terre emportent la conviction, et que l'activité tectonique réelle de la Terre rend probable la thèse qui veut qu'un système de courant soit actif à l'heure actuelle. La caractère épisodique de la révolution tectonique suggère que les systèmes de courants sont également épisodiques. On peut sans doute présumer que pendant l'existence de la Terre, dont la durée est désormais estimée à environ 5 milliards d'années, il y a eu quelque 10 à 20 périodes tectoniques actives, chacune comportant un nombre d'épisodes particulièrement violents » (F.A. Vening Meinesz et W.A. Heiskanen, The Earth and its Gravity Field , New Ork, Toronto, Londres, Mc Graw-Hill Book Compagny, 1958, p. 399).

Dans les années 1950, de nombreuses autres études sur la convection sont menées et les discussions sont nombreuses. Un colloque sur le fluage plastique et les déformations à l'intérieur de la Terre, réunissant les spécialistes du moment, est organisé en 1951 par l'American Geophysical Union. Il s'agit de confronter les idées sur la possibilité d'existence de courants subcrustaux dans les différentes hypothèses géotectoniques. En 1952, Chandrasekhar étend la théorie de la convection thermique à des fluides visqueux à seuil de plasticité nul. Il ne suppose plus que le fluide est chauffé par en dessous comme dans la théorie de Rayleigh mais qu'il est chauffé par l'intérieur. Son investigation fait suite à celle de Jeffreys et Band en 1951. En 1953, Urey discute de différents types de systèmes convectifs dans toutes les parties de la Terre. Hess , en 1951, et Kraus , en 1958, reprennent également l'idée de Vening Meinesz de deux systèmes de convection superposés (figure suivante).


Les objections à la convection

Des oppositions sérieuses s'élèvent cependant. En 1951, Birch remarque qu'une circulation convective ne peut s'établir que si le manteau est homogène. Or des discontinuités (chimiques, physiques ou les deux) semblent exister dans le manteau supérieur, bloquant ainsi une convection globale.

Jeffreys , en 1952, s'oppose toujours à l'idée selon laquelle la Terre solide puisse convecter : même soumise à des sollicitations de longues durées, la Terre ne peut pas se comporter comme un fluide visqueux et ainsi les forces d'Archimède sont insuffisantes pour générer un système convectif. Il pense que les théories visqueuses, dont il a été l'un des principaux artisans, ne peuvent pas être appliquées à la Terre. Il affirme : « L'hypothèse de courants de convection systématiques complique le problème. Il convient de noter que les contraintes de cisaillement, agissant à la base de la croûte dans la même direction sur de longues distances suffiraient pour la casser, ce qui a été proposé par Holmes pour expliquer les montagnes. Mais, étant donnés l'apport de chaleur et la valeur de la viscosité, les courants ne pourraient jamais s'arrêter. Ainsi, les théories convectives ne fournissent aucune explication au caractère intermittent de la formation des montagnes » (H. Jeffreys, The Earth , 4e éd., 1959, p. 347).

Il poursuit : « Je n'affirme pas que les roches se comportent d'une manière parfaitement élastique même sous des contraintes faibles ; il apparaît que sous n'importe quelle contrainte, des phénomènes d'élasticité retard et d'hystérésis surviennent. Ce que je dis, c'est que pour plusieurs points, les faits sont contraires à ce que nous pourrions attendre si le fluage visqueux était prédominant. (…) Les théories convectives développées par Vening Meinesz (1933, 1947, 1948) et Griggs (1939) prennent verbalement en compte la notion d'une force [seuil de plasticité] non nulle, mais elles utilisent les mathématiques d'une viscosité finie. (…) Je pense que l'introduction d'une force [seuil de plasticité] non nulle modifierait complètement les solutions. (…) Si la viscosité, au lieu de suivre la loi élasto-visqueuse, suit la loi de Lommitz ou la variation que j'ai proposée, les instabilités thermiques ne peuvent pas survenir. Toute perturbation de l'état hydrostatique serait alors amortie » (Ibid., p. 347).

On le voit, l'opposition de Jeffreys est fondamentale : contrairement aux partisans d'une circulation convective, il refuse de concevoir que la Terre soumise à des sollicitations de longues durées puisse se comporter comme un fluide visqueux. La difficulté réside toujours dans la compréhension du comportement rhéologique de la Terre.

Le bilan à la fin des années 1950

L'hypothèse des courants semble bénéficier d'un assez grand crédit et est souvent présentée d'une manière favorable. Outre les grands promoteurs de la convection (Vening Meinesz, Hess, Kraus, etc), on trouve une multitude d'interventions en faveur d'une circulation interne. Goguel avance par exemple : « De toutes les hypothèses qui ont été proposées pour expliquer l'origine des déformations tectoniques et éventuellement des déplacements horizontaux des continents, celle des courants de convection est la seule qui paraît pouvoir être retenue » (J. Goguel, Traité de tectonique , Paris, Masson, 1952, p.360). Gutenberg écrit lui aussi : « Dans une variété d'hypothèses géotectoniques, l'existence de courants subcrustaux a été supposée. À partir de nos connaissances actuelles, il n'y a pas de raison pour que tels courants ne soient pas possibles dans des parties presque homogènes de la Terre » (B. Gutenberg, Physics of the Earth's Interior , New York - Londres, Academic Press, 1959, p. 206).

L'adhésion à l'hypothèse des courants de convection n'est toutefois que partielle. Si beaucoup semblent admettre la possibilité d'une circulation convective, les mêmes reconnaissent le sérieux des objections de Birch et de Jeffreys. En outre, il est reconnu que les courants de convection invoqués comme cause possible de l'orogenèse n'expliquent finalement pas grand chose. Goguel remarque : « À cause de sa souplesse même, cette hypothèse [de la convection] ne paraît pas susceptible de conduire à des règles précises, relativement à la position des zones orogéniques, ou à leur répartition dans le temps. C'est au contraire à l'analyse géologique qu'il faut demander de nous renseigner sur les grandes lignes de l'histoire des courants de convection » (J. Goguel, Traité de tectonique , op. cit., p.360). D'une manière plus virulente, Aubouin lance : « Les preuves manquent donc, aussi séduisante que puisse paraître la théorie des courants de convection. Le plus irritant est son aspect de Deus ex machina destiné à tout expliquer en tout temps et tout lieu : puisqu'il suffit de faire tourner un courant à point nommé » (J. Aubouin, Précis de géologie , tome 3, Paris, Dunod, 1968, p. 232-233).

L'hypothèse des mouvements convectifs, fortement discutée, reçoit donc un accueil mitigé. Appuyée par beaucoup, elle reste cependant mise en doute car de nature trop spéculative. Les conditions sur lesquelles elle repose sont trop incertaines, les connaissances sur le comportement des roches trop ambiguës, pour qu'elle puisse être acceptée sans réserve. Et l'explication qu'elle fournit à l'orogenèse est trop théorique, trop vague, trop découplée d'implications immédiates et concrètes pour qu'elle puisse avoir des conséquences pertinentes pour la compréhension de la Terre. L'hypothèse de la convection est possible, sinon probable, mais elle ne s'impose pas par elle-même. À la fin des années 1950, il est impossible de prouver que les courants de convection existent dans le manteau comme il est impossible de montrer qu'ils n'existent pas !

La convection et la tectonique des plaques

La situation évolue au début des années 1960 grâce à la découverte des fonds océaniques et des dorsales médio-océaniques en particulier (cf Histoire de la théorie de la tectonique des plaques). Celles-ci se signalent non seulement par leur topographie singulière, mais aussi par un flux de chaleur élevé ainsi qu'une activité volcanique et sismique. D'un autre côté, les fosses océaniques, qui bordent le Pacifique mais qui sont absentes autour de l'Atlantique, sont les régions les plus profondes des océans et se signalent elles aussi par une sismicité importante. On découvre encore que la croûte océanique, de faible épaisseur (5-10 km), est composée de roches basaltiques relativement denses et est recouverte d'une très faible épaisseur de sédiments. Elle diffère donc entièrement de la coûte continentale.

En 1960 (son article ne paraît cependant qu'en 1962), Hess tente de regrouper cet ensemble de découvertes en une unique hypothèse, qu'il qualifie lui-même de géopoésie ! Il commente : « Il y a longtemps, Holmes a proposé les courants de convection dans le manteau pour rendre compte de la déformations de la croûte terrestre (Vening Meinesz, 1952 ; Griggs, 1939, 1954 ; Verhoogen, 1954 ; et de nombreux autres). Néanmoins, la convection du manteau est perçue comme une hypothèse radicale qui n'est pas largement acceptée par les géologues et les géophysiciens. Si elle était admise, un scénario plutôt raisonnable pourrait être reconstruit pour décrire l'évolution des bassins océaniques et des masses d'eau qu'ils contiennent. Dans tous les domaines, les faits antérieurement non reliés se disposent dans un schéma régulier, qui suggère que l'on est proche d'une théorie statisfaisante. (...) Les régularités inattendues dans les hamoniques sphériques de la topographie de la Terre pourrraient être attribuées à une situation dynamique pour la Terre actuelle, situation dans laquelle les continents se déplacent vers des positions dictées par un système relativement régulier de cellules de convection dans le manteau. Le théorème de Menard selon lequel les crêtes des rides médio-océaniques correspondent à des lignes médianes revêt une nouvelle signification. Les rides médio-océaniques pourraient représenter les traces des flancs ascendants de cellules de convection, et la ceinture cricum-pacifique de déformation et de volcanisme représenterait les flancs descendants. La ride médio-atlantique est médiane parce que les blocs continentaux ont migré de chaque côté à la même vitesse - 1 cm/a. Ce n'est pas exactement la même chose que la dérive continentale. Les continents ne labourent pas la croûte océanique sous la contrainte de forces inconnues ; ils reposent plutôt passivement sur le matériel mantellique, lequel affleure à la crête de la ride et s'en éloigne alors latéralement. D'après cela, la crête de la ride devrait n'être recouverte que de sédiments récents, et de sédiments récents et tertiaires sur ses flancs ; l'océan Atlantique dans son ensemble, voire tous les océans, ne devrait avoir que peu de sédiments plus vieux que le Mésozoïque. » (H. H. Hess, History of Ocean Basins , Petrologic Studies : A volume to honor A. F. Buddington, Princeton : Princeton University, 1962, p. 607-608).

Hess attribue donc la mobilité des fonds marins à des mouvements de convection affectant le manteau et considère que les dorsales sont la manifestation en surface des branches ascendantes de cellules de convection et que les fosses océaniques sont les témoins des branches descendantes. Les continents seraient entraînés passivement à la surface de ces cellules de convection.


Figure 10. Géométrie possible d'une cellule de convection du manteau proposée par Hess

Géométrie possible d'une cellule de convection du manteau proposée par Hess

Figure 8 de l'article de Hess, 1962. History of Ocean Basins, Petrologic Studies : A volume to honor A. F. Buddington. Boulder : Geological Society of America, 599-620.


L'hypothèse de Hess de l'expansion des fonds océaniques, confirmée par Morley et Vine et Matthews en 1963, aboutit à la formulation de la théorie de la tectonique des plaques en 1967-1968. Les idées importantes sont la prise en compte de la dynamique océanique et l'introduction du concept de zone de fracture dans la couche superficielle de la Terre qui permet de comprendre les couplages entre la surface et les couches profondes. Pendant cette période, les études sur la convection se sont rapidement développées grâce à Runcorn (1962, 1965, 1967), Knopoff (1964), Turcotte et Schubert (1967) et il devient évident que les mouvements des plaques en surface sont couplés avec des mouvements internes affectant l'ensemble du manteau. Cet enchaînement des faits montre que ce n'est qu'à partir de la découverte de l'expansion océanique que la convection a pu recevoir un large écho dans la communauté scientifique. La mobilité des fonds océaniques puis le mouvement des plaques mettent en effet pleinement en évidence la nécessité d'une forme de convection thermique, même si les modalités de celle-ci doivent encore être précisées. L'hypothèse des courants de convection n'a donc pas réussi à s'imposer par elle-même ; elle n'a été acceptée que lorsque les phénomènes superficiels ont montré qu'elle ne pouvait plus être niée...

Cependant, la reconnaissance des courants de convection grâce à la théorie de la tectonique des plaques ne clôt pas les débats, bien au contraire. Ceux-ci ne font que changer de nature. Il ne s'agit plus de discuter sur l'existence ou la non-existence des mouvements convectifs mais de s'interroger sur leur géométrie. Peu à peu les conceptions de Hess, qui supposent une organisation des cellules de convection analogue à celle que Bénard pouvait observer dans son laboratoire au début du XXème siècle, sont remises en cause. Dès les années 1970, de nombreux chercheurs proposent une autre forme de convection. Dans ces nouvelles conceptions, les mouvement convectifs sont relativement continus, et non pas discontinus comme souvent proposé auparavant. Bien sûr, les « phases tectoniques » qu'avaient découvertes les géologues existent réellement, mais elles sont plus souvent dues à des collisions de micro-blocs qu'à des changements drastiques de la convection. Le rôle des inégalités de la répartition horizontale des sources de chaleur, s'il est encore évoqué pour les fameux « cycles de Wilson », est très minimisé. C'est un gradient thermique vertical qui est mis en avant, avec un refroidissement par le haut et une production de chaleur dans la masse du manteau. Enfin et surtout, et cela a du mal à passer dans la communauté des non-géophysiciens, les plaques ne sont pas entraînées passivement à la surface des cellules de convection comme sur des tapis roulants (image extrêmement maladroite), mais prennent une part active dans la convection. Ils soulignent que la lithosphère océanique, au fur et à mesure qu'elle se refroidit en s'éloignant des dorsales, devient plus dense que l'asthénosphère sous-jacente. Au niveau des subductions, elle s'enfonce spontanément dans le manteau et c'est cette descente spontanée qui met les plaques en mouvement et qui organise la convection mantellique. Les dorsales ne sont pas alors liées à des courants chauds montant du manteau profond mais correspondent uniquement à des épanchements passifs de matière dans un espace laissé libre entre deux plaques divergentes. On est loin des premières applications de la convection à la Terre et des idées, pourtant prophétiques de Holmes. Ces questions ne sont pas totalement réglées pour autant et les discussions se poursuivent encore aujourd'hui pour écrire le prochain chapitre de l'histoire (cf La convection mantellique, moteur de la tectonique des plaques, si souvent évoquée, si souvent mal comprise).

Figure 11. Une vision moderne de la convection mantellique

Une vision moderne de la convection mantellique

Ce schéma insiste sur l'importance des subductions, qui mettent en mouvement la lithosphère, et sur le côté superficiel et passif des dorsales, qui ne font que combler l'écartement engendré par le mouvement des plaques. Dans ce schéma, la taille des flèches blanches indique la vitesse des mouvements. La petite taille des flèches sous-lithosphériques montre que le manteau asthénosphérique est mis en mouvement par la lithosphère, et non l'inverse comme couramment dit. Les plaques qui subductent vont vite (≈ 10 cm/an), alors que les plaques qui ne subductent pas sont très lentes (≈ 1cm/an). L'ascension des panaches sous les points chaud est également actif et très rapide (> 10 cm/an).

Source : Stéphane Labrosse, modifié par Pierre Thomas, dans "la convection mantellique..."


Bibliographie

V. Deparis, H. Legros, 2000. Voyage à l'intérieur de la Terre. De la géographie antique à la géophysique actuelle. Une histoire des idées , Paris, CNRS Editions

Article réalisé avec le soutien financier de Sciences à l'École dans le cadre de l'opération LUNAP.