Comment montrer que le manteau est homogène ?

Philippe Gillet

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

26/11/2003

Résumé

Expériences montrant que le manteau est chimiquement homogène.


Table des matières

Question

« En classe de première S, on estime la composition du noyau en faisant la différence (Terre globale - manteau). On fait pour cela l'hypothèse que le manteau est homogène. Pour le vérifier, est-ce que je peux tracer une courbe de la vitesse des ondes P dans le manteau et une autre avec des vitesses théoriques mesurées par exemple sur enclume à diamant, comparer ces deux courbes, dire qu'elles se ressemblent et déduire c'est homogène ? »

Réponse

L'idée motrice est de faire l'hypothèse que la chimie des péridotites que l'on observe dans les 200 premiers kilomètres du manteau est la même jusqu'à 2.900 kilomètres de profondeur. On regarde comment cette roche se comporte si on la soumet aux conditions de pressions et de températures qui règnent au sein du manteau.

En soumettant les péridotites à des pressions et températures (le long d'un géotherme) croissantes en utilisant en particulier la technique dite de la cellule à enclumes de diamant, on forme les phases minérales et donc les roches susceptibles d'être présentes à plus grande profondeur dans le manteau. Ainsi :

  • jusqu'à 400 km de profondeur l' olivine , les pyroxènes (orthopyroxène, clinopyroxène) et le grenat sont les minéraux majeurs,
  • l' olivine usuelle, (dite de phase-α) se transforme en un nouveau minéral, de même composition chimique mais de structure cristalline différente, dite phase-β (appelée également wadsleyite ) pour des profondeurs de 410 km ,
  • la phase-β se transforme en phase-γ (appelée également ringwoodite , de même composition, mais de structure légèrement différente) pour des profondeurs de 520 km ,
  • la phase-γ se transforme en un assemblage de perovskite silicatée et d' oxyde de magnésium pour des profondeurs de 660 km (Mg2SiO4 → MgSiO3 + MgO). Cet assemblage est considéré à l'heure actuelle comme la meilleure description de la minéralogie du manteau inférieur.

D'autres transformations des pyroxènes et des grenats en majorite sont possibles.


Les changements minéralogiques observés dans les péridotites en laboratoire sont en accord avec l'existence des grandes discontinuités que les sismologues ont mis en évidence à 410 et 660 km de profondeur dans le manteau. On peut donc tester l'hypothèse du manteau chimiquement homogène en comparant par exemple la courbe de densité mesurée en fonction de la profondeur à la courbe de densité calculée des différents assemblages minéralogiques produits en laboratoire.


Remarque : Si l'on considère l'étude de la composition isotopique ou des éléments présents en traces dans les roches, on peut déceler des hétérogénéités dans le manteau.