La zone de transition et la dynamique du manteau terrestre

Éric Debayle

Laboratoire de Sciences de la Terre, CNRS - Univ. Claude Bernard - ENS de Lyon

Yanick Ricard

Laboratoire de Sciences de la Terre, CNRS - Univ. Claude Bernard - ENS de Lyon

Olivier Dequincey

ENS de Lyon / DGESCO

10/04/2010

Résumé

Changements de phase, zone de transition et dynamique du manteau : apports de la sismologie.


Avertissement : Cet article, ainsi que deux autres, l'un, général et introductif, de Pierre Thomas présentant le la convection du manteau et, l'autre, de Stéphane Labrosse à propos de la frontière noyau - manteau, correspondent à trois « brouillons » d'articles demandés par "Pour la Science" pour son Dossier Pour la Science n°67, avril-juin 20110, consacré à « la Terre à coeur ouvert ». Ces chapitres ont été demandés avec un volume de 25 000 signes, alors que les « brouillons », ou versions initiales, était plus longs. Les textes soumis, sont ensuite retravaillés pour coller au format et au style Pour la Science : réécriture de paragraphes, ajouts d'un côté, simplifications de l'autre, travail des figures... Les 3 articles publiés sur Planet-Terre sont donc des versions différentes à partir des mêmes sources, différentes du fait de contraintes éditoriales différentes.

Ce dossier spécial « Terre » comprendra plus d'une vingtaine d'articles, de la croûte au noyau, dont une dizaine consacrés au manteau et aux volcans. Nous ne saurions que trop vous conseiller de lire ce numéro spécial.

Introduction

Science à peine centenaire, la sismologie (l'étude des tremblements de Terre et des ondes qu'ils génèrent) a profondément modifié notre connaissance de l'intérieur de la Terre. De spectaculaires images en trois dimensions révèlent la structure profonde des principaux objets géologiques que sont les dorsales océaniques, les zones de subduction, les racines des chaînes de montagnes et des vieux continents (fig. 1). Les résultats les plus récents sont en train de révolutionner notre compréhension de la dynamique du manteau terrestre.

Tomographie sismique : zone de transition et hétérogénéités latérales

Le manteau terrestre est constitué de silicates de magnésium (surtout) et de fer (un peu) et s'étend de la base de la croûte, dont l'épaisseur varie entre 0 et 10 km pour la crôute océanique et entre 10 et 70 km pour la croûte continentale, jusqu'à la limite noyau-manteau située à 2900 km de profondeur. Sa dynamique est contrôlée par des mouvements de convection à grande échelle, très lents : les vitesses d'écoulement y atteignent au plus quelques centimètres par an, soit la vitesse de croissance d'un cheveu. La température et la pression variant considérablement sur son épaisseur, les propriétés physiques et minéralogiques des roches doivent s'adapter à ces variations. Les sismologues détectent ainsi deux augmentations abruptes de la vitesse sismique vers 410 et 660 kilomètres de profondeur, que les minéralogistes associent généralement à des réarrangement minéralogiques à l'état solide, ou changements de phase. La ‘‘zone de transition'' est la région située entre ces deux discontinuités de vitesse sismique.

La façon la plus directe de cartographier la structure interne du manteau est d'utiliser les ondes sismiques. Les sismologues exploitent principalement les temps de parcours des différentes ondes enregistrées sur des milliers de sismographes de par le monde. À la fin des années 1970, ils ont commencé à développer des méthodes inspirées de l'imagerie médicale. Ces nouvelles méthodes ont rapidement permis de construire les premiers modèles tomographiques (il s'agit de modèles à trois dimensions des hétérogénéités de vitesse sismique) qui ont révélé la structure à grande échelle du manteau terrestre. Les principales hétérogénéités sismiques du manteau sont situées à sa base et à son sommet et correspondent à deux couches de quelques centaines de kilomètres d'épaisseur. Dans la couche située au sommet du manteau, les premiers modèles tomographiques montraient une forte corrélation entre la position des hétérogénéités de vitesse et la géologie de surface. Cette corrélation est devenue de plus en plus impressionnante avec l'augmentation du nombre de données (voir la figure 1). Les premières images de la base du manteau ont également révélé que sa structure en trois dimensions est dominée par deux larges anomalies de vitesse lentes situées sous l'Afrique et le Pacifique, bordées par des anomalies de vitesse plus rapides (figure 2).

Figure 1. Carte des hétérogénéités de la vitesse des ondes de cisaillement au sommet du manteau (à 100 km de profondeur)

Carte des hétérogénéités de la vitesse des ondes de cisaillement au sommet du manteau (à 100 km de profondeur)

Les vitesses rapides en bleu correspondent aux zones froides du manteau alors que les vitesses lentes en rouge correspondent aux régions chaudes. Les frontières des plaques tectoniques sont indiquées en vert. Les cercles verts correspondent aux volcans associés à des points chauds.


Figure 2. Carte des hétérogénéités de la vitesse des ondes de cisaillement à la base du manteau (à 2850 km de profondeur)

Carte des hétérogénéités de la vitesse des ondes de cisaillement à la base du manteau (à 2850 km de profondeur)

Les vitesses rapides, en bleu, correspondent aux zones froides du manteau alors que les vitesses lentes, en rouge, correspondent aux régions chaudes. Les frontières des plaques tectoniques sont indiquées en vert. Les cercles verts correspondent aux volcans associés à des points chauds.


Jusqu'à la fin des années 1990, une partie des chercheurs en sciences de la Terre pensaient que la convection du manteau se faisait dans deux couches distinctes, séparées par la discontinuité à 660 km. Cette idée reposait largement sur l'observation de différences géochimiques subtiles mais significatives entre les basaltes des îles océaniques (points chauds) et ceux des rides océaniques. Ces derniers sont systématiquement appauvris en éléments incompatibles 1 et beaucoup de géologues pensaient qu'ils échantillonnaient un manteau supérieur appauvri lors de l'extraction de la croûte continentale. Cet appauvrissement n'étant pas observé pour les basaltes des îles océaniques, dont la composition isotopique était aussi différente, on les pensait liés à des remontées de roches plus profondes issues d'un manteau inférieur qui avait conservé sa composition primitive. L'idée était que la convection se faisant en deux couches séparées et que le manteau inférieur n'avait pas été affecté par l'extraction de la croûte continentale au début de l'histoire de la Terre. Le modèle à deux couches semblait en accord avec les bilans de masse des géochimistes qui suggéraient qu'un tiers du manteau avait été appauvri lors de l'extraction de la croûte continentale, ce qui correspondait à peu près à la masse du manteau supérieur. Il était également conforté par le fait que l'on n'observait pas de séismes en dessous de 660 km de profondeur. Les séismes profonds étant associés aux plaques plongeantes, on pouvait penser que celles-ci ne pouvaient s'enfoncer à plus de 660 km.

Pourtant, la géométrie des anomalies sismiques suggérait que les écoulements verticaux de matière affectaient l'ensemble de son épaisseur ! En effet, les anomalies de vitesse lentes situées à la base du manteau étaient majoritairement localisées sous les volcans associés à des remontées de matière profonde 2 , alors que les vitesses rapides coïncidaient approximativement avec les régions où les plaques océaniques s'enfonçaient dans le manteau depuis 100 millions d'années (figure 2). Mais le lien entre les manteaux supérieur et inférieur n'était pas établi : la faible résolution des premiers modèles tomographiques ne permettait pas de suivre le chemin vertical des anomalies. C'est seulement vers la fin des années 1990, grâce à l'augmentation du nombre de données, que les sismologues vont construire des modèles tomographiques avec une résolution suffisante pour suivre le trajet des plaques tectoniques depuis la surface jusqu'au manteau profond. Ils vont alors montrer que les plaques pénètrent dans le manteau inférieur, bien que certaines semblent stagner un certain temps dans la zone de transition. Les images obtenues vont révolutionner notre compréhension de la dynamique du manteau terrestre et poser de nouvelles questions à l'ensemble de la communauté des chercheurs en sciences de la Terre : s'il est possible de suivre le trajet de la matière qui descend dans le manteau inférieur, peut on suivre les remontées de matière et confirmer qu'elle prennent bien leur source à la base du manteau ? Comment, alors, expliquer les observations géochimiques ?

1 Un élément incompatible est un élément qui, lors d'un processus de fusion, va se concentrer principalement dans la phase liquide. Lors des phénomènes de fusion partielle du manteau qui auraient donné naissance à la croûte, les éléments incompatibles se seraient concentrés dans la phase liquide, qui en se refroidissant forme la croûte continentale, laissant un manteau résiduel appauvri. C'est ce manteau résiduel qui serait échantillonné par les basaltes des rides océaniques.

2 Ces volcans sont généralement appelés "points chauds".

Contrôle minéralogique des transitions et mouvements verticaux de matière

Nous allons voir que les progrès récents réalisés en sismologie, mais également en minéralogie, en physique des hautes pressions et dans le domaine de la modélisation numérique ou en laboratoire, permettent d'entrevoir quelques éléments de réponse à ces questions. Ils montrent que la zone de transition contrôle la dynamique du manteau.

Jusqu'à présent, les efforts réalisés en tomographie pour détecter des remontées de matière venant du manteau inférieur sont restés peu concluants ou très controversés. Les modèles géodynamiques montrent que la dynamique de la Terre est dominée par les zones de subduction tandis que les remontées de matière se font sous la forme de panaches mantelliques étroits dont la forme rappelle celle d'un champignon. Rappelons qu'un panache ne correspond pas à une remontée de magma, mais à une remontée de manteau profond très chaud mais solide ; il n'y a fusion (très partielle) que dans les centaines de kilomètres les plus superficielles. Le conduit d'alimentation du panache aurait un diamètre d'une centaine de kilomètres, ce qui reste en deçà de la résolution actuelle de la plupart des modèles tomographiques (qui est de l'ordre de quelques centaines de km, les plaques en subduction qui ne dépassent guère 100 km d'épaisseur mais sont faciles à détecter car elles sont latéralement très larges). Cependant, lorsque le matériel chaud du panache vient s'étaler à la base de la lithosphère, qui se trouve à une profondeur bien échantillonnée par les ondes sismiques, il peut être détecté (voir par exemple la signature lente du point chaud du Cap-Vert sur la figure 1). Mais hanti

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[] L. Vinnik, V.rFacrélap7. Ei'rs,mla forn s ede3-7te hae p Ei'rs,mla forn em>Low StnglocP pdanpesht 410-'eux rences . yaaines dile Ei'rs,mla forn e cm s et mouvements vertic/s >.yEarth P300" . ScJusqt . 262, 398-412. namique-manteau/tomographie-vdx.doi.org/10.1016/j.epsl.ap7.7.51u'ich title="Nqdoi:10.1016/j.epsl.ap7.7.51o Cettnamique-manteau/tomographie-vwww.s dilee cm .org/WebDocu dE /VinnikFacrEPSLap7.pdfu'ich title="Nqpdf
[] B.J. Wood,r1995. s ede3-7te hae p Ei'rs,mla forn em>Threecte d Ei'rs,mla forn of H2O s di 410-' s>e < rences . ys et mouvements vertic/s >, >Contrôle minérmique-mareanteauKeywordp Mole="Contr: s ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=imhttp:/amp;fuzzy=0">imhttp:o Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=Carte des%20es ses llus/amp;fuzzy=0">es de maties ses lluso Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText= r%20dr%20 rilges egamp;fuzzy=0"> rs'e dee lo Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=s'ux100 %20onqu'un gamp;fuzzy=0">s'ux100 alors que Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=ili deoint%20dr%20sau gamp;fuzzy=0">le à deux cotrau e Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=n les%20sc par lgamp;fuzzy=0">ments incompatibo Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=Cia100mmr%20dr%20fitesse /amp;fuzzy=0">eia100mmruprofitesse o Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=nces al/amp;fuzzy=0">nces alo Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=> ut,de la/amp;fuzzy=0">> ut,de lao Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=i'ps de ant/amp;fuzzy=0">i'ps de anto Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=colue atio/amp;fuzzy=0">colue atioo Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=vellorsple/amp;fuzzy=0">vellorspleo Cetc/s >erticas ede3-7te ignoKeyword>class="titla/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetsà ch_ igno?Sà ch laText=c n'ti%20es ses llus/amp;fuzzy=0"> eaux de ass="tit ass= Ei'rs,mla forn © 1999 Ritrespondent aux 99 Ritrespondent aux Ei'rs,mla forn © 1999 Ritrespond ent aux Ei'rs,mla fonérmeaux de a forn © 199 ent aux Ei'rs,mlnérm © 199 nérmclass="titls ede3-7teultalseTopLeft c/s >ertic"titls >Vsitique dc/s >ertic"titls ede3-7teultalseTopRment c/s >ertic ©t> s en s et mouvitions et mouvemenitions et mouvements vertics >ertic"titements verticau/tomographie-vitesse-2850km.jpg" width=ic(fu>/aient u basepe="Nqaient u basephZ>Jusqborls: 0 présensaient u" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/mrts cere-de s nt à la xml présensCveVedeux sur rege,/sup>uge, cn lar> eon> leservait e iduel. Ei'rs,mla forn s >Crypto-ti serait>JJusqrypto- es smdynamrts corre de s nt à lac/s >ertic"tit9 Ritrespond
/aient u basepe="Nqaient u basephZ>Jusqborls: 0 présensaient u" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/bridgrésde-mera sem sunt à la xml présensMm sem subaid o r appauv :acoe ccorreyldét directe de carésau sla croûteiblesjedeç(-teruite> ut,de la,ement rév4) Jusbridgrésde)manteau=sau sl"accest ieç" (pyn'xèiteitegiomique,/spuitp oenl/pladepuis lowües te...). Ei'rs,mla forn s >Leau sont si celle dirmer,eu la deça enfide panom offictomo:squ'ridgrésde (ex-"MgSiO3-colue atio")c/s >ertic"tit9 Ritrespond
/aient u basepe="Nqaient u basephZ>Jusqborls: 0 présensaient u" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/nsit-cnre atio xml présensL'"nces al/quot; elle prà la base de l o:squ'nsit-cnre atiooerticaviscp>%)t lim sem subaau=sau sl'e dede adu

Ju. Ei'rs,mla forn s >Lu'nsit-cnre atiooertau sont site dede adu

Juc/s >ertic"tit9 Ritrespond

/brevu basepe="Nqbrevu basephZ>Jusqborls: 0 présensbrevu" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespondcs >ertic"titements verticau/tomographie-vitesse-2850km.jpg" width=ic(fu>/donneu basepe="Nqdonneu basephZ>Jusqborls: 0 présensdonneu" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/mera sux-irecte s xml présensSorau sup>JJusqomnsio onllons voiraau=sau slu sont se di deç Fig Ei'rs,mla forn s >Sorau sup>Ju sont se Jusqomnsio onl di deç Fic/s >ertic"tit9 Ritrespond
/ la eques basepe="Nq la eques basephZ>Jusqborls: 0 présens la eques " /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespondcs >ertic"titements verticau/tomographie-vitesse-2850km.jpg" width=ic(fu>/diaultama basepe="Nqdiaultama basephZ>Jusqborls: 0 présensdiaultama" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespondcs >ertic"titements verticau/tomographie-vitesse-2850km.jpg" width=ic(fu>/ter -video basepe="Nqter -video basephZ>Jusqborls: 0 présenster -video" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespondcs >ertic"titements verticau/tomographie-vitesse-2850km.jpg" width=ic(fu>/telechich eux basepe="Nqtelechich eux basephZ>Jusqborls: 0 présenstelechich eux " /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/pas été -PTho_ la xml présensLa pas été aes ses lluso:sre,hol eirservai,ti rcice Jussembtiinstroitsde l. Ei'rs,mla forn s >Lu'pas été aes ses lluso:smyth s'omnféreux cJussembtiinsc/s >ertic"tit9 Ritrespond
/brevu basepe="Nqbrevu basephZ>Jusqborls: 0 présensbrevu" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/h'ux1enesde-d nt à la xml présensEn> oagila is qsmes c00

Jau ions voideux h'ux1èit. Ei'rs,mla forn s >Cd="n1-2au édia=&au c00

Jau h'ux1èit ?c/s >ertic"tit9 Ritrespond

/aient u basepe="Nqaient u basephZ>Jusqborls: 0 présensaient u" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/sup>uge, c-delente du xml présensApplus r corme dux100 alors qu smdynaqomnmnfh.jp onl di pas été aes ses llus. Ei'rs,mla forn s >Délente du e de panac r corme phimfica alp> eond /sup>utioo s >ertic"tit9 Ritrespond
/aient u basepe="Nqaient u basephZ>Jusqborls: 0 présensaient u" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/cnridos tes- Cd="n1-2n e 'us que da dos tes ?c/s >ertic"tit9 Ritrespond
/ la eques basepe="Nq la eques basephZ>Jusqborls: 0 présens la eques " /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespondcs >ertic"titements verticau/tomographie-vitesse-2850km.jpg" width=ic(fu>/diaultama basepe="Nqdiaultama basephZ>Jusqborls: 0 présensdiaultama" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespondcs >ertic"titements verticau/tomographie-vitesse-2850km.jpg" width=ic(fu>/ter -video basepe="Nqter -video basephZ>Jusqborls: 0 présenster -video" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit999999999999 ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/caf-ap5nt à la-g clat- la xml présensO la sn,sqomnsio onllons voi,sqomnsio only a fusion (tr, de lad ,e pmsde yldétende s mantepplusons. Ils ms le domsmdynaqogmentation dmiink" hre Ei'rs,mla forn s >Cons ) Jusim sem subamiink" hrc/s >ertic"tit9 Ritrespond
/brevu basepe="Nqbrevu basephZ>Jusqborls: 0 présensbrevu" /> 99 Ritrespondent aux c/s >ertic"tit9 Ritrespond ent aux trespondaux ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/sau s-

Jxml présensC édia=&tion les gaa n génplaquef esdu s/seles anaa-tées dsime=sau sl'e anet-terseelle prà la bas r appauvr Ei'rs,mla forn s >D génplaquef esin-leftismiqueia100mmrupros deur.

c/s >ertic"tit9 Ritrespond

ertic"titls ede3-7teultalseBottomRment c/s >ertic ©d--ai<© 199 nérm s en class="titls ede3-7teultalseTopLeft c/s >ertic"titls >s en sismoloNavie isismologies >ertic"titls ede3-7teultalseTopRment c/s >ertic ©t> s en class="titlul1
  • ca/tomogrvitesse r ap/ chiv (>cA chiv ( ca/tomogrvitesse r ap/rest noag/dque ers-theeservai(>cDque erssre,heservai( ca/tomogrvitesse r ap/actuéreu>/brevu(>cActus, brèv ( ca/tomogrvitesse r ap/malie0mmr_offictom">Palie0mmrs offictom( ertic"tit"titls ede3-7teultalseBottomRment c/s >erticaux Ei'rie,d>erticerticei<©lai<© 199 nérmclisismologittu froideultalseHHils>class="tit"titls ede3-7teultalseTopLeft c/s >ertic"tit"titls >À (re)ionsge rirc/s >ertic"tit"titls ede3-7teultalseTopRment c/s >erticrtic ©t> s en en class=ca/tomographie-vitesse-2850km.jpg" targetaient u/Desmat- pmat_ la xml présensDcorme e,hol a,euxnos voiraau= pmats ) que rp lru= pmateftism: uvismiqumiofaeci ns. nérmhZ>Jusqbackgrd r:url(aphie-vitesse-2850km.jpg" width= tesse r ap/objets/I >/ pmat-MDesmat/ré la -br.jpg) mpate dende-repeat;u froideI Bgrs d'un ede3-7teultalseI Tère<>Leas plé= pmateftions. Il tesèioo s et mouvements verticaua e,de s en sism !--ddede3-7teultalseFoots>class="tit"titls ede3-7teultalseBottomLeft c/s >ertic"tit"titls ede3-7teultalseBottomRment c/s >erticaux ©d--aiaux ©l> © 199 s en sismologisismologie, mai ologologisismolog ologie, mai ologisismologiul1 s en P300bamiaee peccestkey=" présensCdvrdito jlchnrvai(>cCdvrdito jlchnrvai( _rs(>peccestkey=" présensRSS">RSS peccestkey=" présensTwi alt Twi alt ]/g, ''); hsi = 'cau/téu'i="1" hement="1" omographie-vlogp.xiti.com/hit.xiti?s=49434&s2=2'; hsi += '&p='; hsi += '&hl=' + hsh.gseH e s() + 'x' + hsh.gseMinmeu>() + 'x' + hsh.gseSecte s(); if(parseFloa (pavie or.sacVve Bon)>=4) {Xiti_s=screen;hsi += '&r=' + Xiti_s.éu'i + 'x' + Xiti_s.hement + 'x' + Xiti_s.pixelD pth + 'x' + Xiti_s.colorD pth;} hsd.wreeln(hsi + '&rmog' + hst.repes s(/&/g, '$') + '">');//--ai i