La convection mantellique, mythes, réalités et questions
01 - 04 - 2005
Résumé
Ce dossier correspond à 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.
Table des matières
- Introduction, clins d'œil historiques et définition du problème
- Genéralité sur la convection
- Le nombre de Rayleigh
- Calcul du nombre de Rayleigh du manteau
- Résumé et conclusion partielle :
- Vérification observationnelle du « rôle » actif des subductions et passif des dorsales
- Les points chauds
- Modélisation analogique de la convection
- Quelques calculs élémentaires, et cquelques considération supplémentaire sur les subductions
- L'influence de la croûte océanique
- Les problèmes en suspens, et quelques représentations globales intégrant tout ce qui précède
- Les maladresses et erreurs à ne plus commettre
- la convection mantellique des autres planètes telluriques
Cette conférence puise largement dans :
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Introduction, clins d'œil historiques et définition du problème
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Figure 1. Introduction Introduction  Source image du haut : U. S. Geological Survey/photo by E. Wolfe Source image du bas : U. S. Geological Survey/photo by J.P. Eaton |
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 XVeme siècle, illustrant La Cité de Dieu, de Saint Augustin, BNF Source : BNF |
Figure 3. L'enfer représenté sur la cathédrale de Bourges L'enfer représenté sur la cathédrale de Bourges  Source : Pierre Thomas |
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Figure 4. Le centre de la Terre imaginé au 17ème siècle Le centre de la Terre imaginé au 17ème siècle  |
Figure 5. Représentations de l'intérieur de la Terre au dèbut de XXème siècle Représentations de l'intérieur de la Terre au dèbut de XXème siècle |
Figure 6. Carte du flux géothermique à la surface de la Terre Carte du flux géothermique à la surface de la Terre |
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Figure 7. Les plaques lithosphériques et leurs mouvements Les plaques lithosphériques et leurs mouvements |
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. |
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Figure 10. Représentations diverses de la géodynamique globale et de la convection mantellique Représentations diverses de la géodynamique globale et de la convection mantellique  |
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.
Genéralité sur la convection
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Figure 12. Transmission de la chaleur dans les corps "opaques" indéformables Transmission de la chaleur dans les corps "opaques" indéformables |
Figure 13. Transmission de la chaleur dans un corps déformable avec un gradient normal de densité Transmission de la chaleur dans un corps déformable avec un gradient normal de densité  Source : Pierre Thomas |
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Figure 14. Transmission de la chaleur dans un corps déformable avec un gradient inverse de densité Transmission de la chaleur dans un corps déformable avec un gradient inverse de densité  Source : Pierre Thomas |
Figure 15. Schéma représentatif d'un schéma d'un système convectif Schéma représentatif d'un schéma d'un système convectif  Source : Yanick Ricard/Pierre Thomas |
Figure 16. Définition de couche limite-thermique Définition de couche limite-thermique  Source image : Glenn Elert |
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Figure 18. Représentation schématique de la convection à une couche et du profil de température associé Représentation schématique de la convection à une couche et du profil de température associé  Source : Pierre Thomas |
Figure 19. Représentation schématique de la convection à deux couches et du profil de température associé Représentation schématique de la convection à deux couches et du profil de température associé  Source : Pierre Thomas |
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Figure 20. Cas d'une convection thermique avec chauffage par le bas et refroidissement par le haut Cas d'une convection thermique avec chauffage par le bas et refroidissement par le haut  |
Figure 21. Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne, diffus dans la masse Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne, diffus dans la masse |
Figure 22. Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne, diffus dans la masse Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne, diffus dans la masse  Source photo de droite : Yen-Wen Lu |
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Figure 23. Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne (>>50%) et chauffage par le bas (<<50%) Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne (>>50%) et chauffage par le bas (<<50%)  Source photo de droite : Yen-Wen Lu |
Figure 24. Résumé : origine de la mise en mouvement de la couche limite thermique (CLT) Résumé : origine de la mise en mouvement de la couche limite thermique (CLT)  Source : Southend-on-Sea Borough Council |
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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.
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.
Calcul du nombre de Rayleigh du manteau
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Figure 33. Echantillons de manteau terrestre remontés sous forme de xenolites dans des roches volcaniques. Echantillons de manteau terrestre remontés sous forme de xenolites dans des roches volcaniques.  Source : ENS Lyon |
Figure 34. Le manteau est solide mais les solides sont visqueux et peuvent se déformer, comme le montre ce glacier canadien. Le manteau est solide mais les solides sont visqueux et peuvent se déformer, comme le montre ce glacier canadien.  Source : Wolfgang Weber |
Figure 35. Utilisation du rebond glaciaire pour mesurer la viscosité du manteau (1/2) Utilisation du rebond glaciaire pour mesurer la viscosité du manteau (1/2) |
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Figure 36. Utilisation du rebond glaciaire pour mesurer la viscosité du manteau (2/2) Utilisation du rebond glaciaire pour mesurer la viscosité du manteau (2/2) |
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Figure 38. Quelle est la différence de température entre la base et le sommet du manteau? Quelle est la différence de température entre la base et le sommet du manteau?  Source : Wm Leler |
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Figure 39. Discontinuités sismiques et phases minérales du manteau Discontinuités sismiques et phases minérales du manteau  Source de la figure de droite : Sébastien Merkel Source de la figure de gauche : Philippe Gillet |
Figure 40. Calcul de la température à 670 km à partir du diagramme de phase de l'olivine Calcul de la température à 670 km à partir du diagramme de phase de l'olivine |
Figure 41. Bilan des connaissances sur la température à l'intérieur de la Terre Bilan des connaissances sur la température à l'intérieur de la Terre |
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Figure 42. Estimation de la différence de température entre la base et le sommet du manteau Estimation de la différence de température entre la base et le sommet du manteau |
Figure 43. Calcul de la valeur de Ra du manteau terrestre et conclusion Calcul de la valeur de Ra du manteau terrestre et conclusion  Source de l''image du haut : Daniel Vecerka Source de l''image du bas : Daniel Dauphin |
Figure 44. Déduction du profil de température à l'intérieur de la Terre Déduction du profil de température à l'intérieur de la Terre |
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Figure 45. La lithosphère et les dorsales dans ce modèle La lithosphère et les dorsales dans ce modèle  Source : Turcotte & Schubert, 1982 |
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  Source : Van Heijst, Ritsema and Woodhouse 1999 |
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Figure 51. Coupes tomographiques montrant la lithosphère subduite Coupes tomographiques montrant la lithosphère subduite  Source : Physics of the Earth and Planetary Interiors 127(2001) 1-7 |
Figure 52. Explication de la "stagnation" à 670 km Explication de la "stagnation" à 670 km  Source : Sébastien Merkel |
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Figure 53. Mouvement absolu des plaques lithosphériques Mouvement absolu des plaques lithosphériques  Source : C. Vigny |
Figure 54. Relation entre le mouvement absolu des plaques et la proportion de leurs frontières en subduction Relation entre le mouvement absolu des plaques et la proportion de leurs frontières en subduction |
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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.
Les points chauds
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Figure 57. Coupe tomographique sous l'Islande Coupe tomographique sous l'Islande  Source : Bijwaard H, Spackman W., 1999, Tomographic evidence for a narrow whole mantle plume below Iceland Earth Planet. Sci. Lett., 166:121-26 |
Figure 58. Images tomographiques de points chauds du Pacifique Images tomographiques de points chauds du Pacifique  |
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Figure 59. Modèle théorique pour expliquer les points chauds Modèle théorique pour expliquer les points chauds |
Figure 60. Différence géochimique entre le manteau qui fond sous les dorsales et le manteau profond Différence géochimique entre le manteau qui fond sous les dorsales et le manteau profond  Source : R.N TAYLOR et al., Isotopic constraints on the influence of the Icelandic plume Earth and Planetary Science Letters 148 1997, E1-E8 |
Figure 61. Comparaison de l'importance relative entre remontée active et remontée passive Comparaison de l'importance relative entre remontée active et remontée passive  Source de la photographie |
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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Figure 65. Forme d'un point chaud en modélisation analogique Forme d'un point chaud en modélisation analogique  Source de la photographie de droite : Pierre Thomas |
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Figure 67. Origine des difficultés à modéliser analogiquement une subduction Origine des difficultés à modéliser analogiquement une subduction  Source de l'image : netmarine.net |
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 cquelques considération supplémentaire sur les subductions
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Figure 70. Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (1/2) Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (1/2)  |
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Figure 71. Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (2/2) Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (2/2)  |
Figure 72. Calcul simplifié de la poussée au niveau d'une dorsale Calcul simplifié de la poussée au niveau d'une dorsale  Source : Pierre Thomas |
Figure 73. Calcul simplifié de la traction au niveau d'une subduction Calcul simplifié de la traction au niveau d'une subduction  Source : Pierre Thomas |
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Figure 74. Premier mode de fonctionnement d'une zonde de subduction Premier mode de fonctionnement d'une zonde de subduction  Source : Pierre Thomas |
Figure 75. Deuxième mode de fonctionnement d'une zone de subduction Deuxième mode de fonctionnement d'une zone de subduction  Source : Pierre Thomas |
Figure 76. Modélisation analogique d'un "Roll back" Modélisation analogique d'un "Roll back"  Source : Claudio Faccenna |
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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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Figure 78. A partir de quel moment la croûte océanique ne peut-elle plus être un flotteur suffisant ? A partir de quel moment la croûte océanique ne peut-elle plus être un flotteur suffisant ? |
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Figure 80. Calcul du temps au bout duquel la lithosphère océanique plonge "spontanément" Calcul du temps au bout duquel la lithosphère océanique plonge "spontanément" |
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Figure 82. Conséquence de l'éclogitisation (2/2) Conséquence de l'éclogitisation (2/2)  Source des photos de roche: Pierre Thomas Source de la photo de ballon : Barry Walker |
Figure 83. Calcul des densités le long d'une plaque subduite Calcul des densités le long d'une plaque subduite  Source : Pierre Thomas |
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 85. Représentation schématique partielle de l'intérieur de la Terre par Courtillot et al, 2003. Représentation schématique partielle de l'intérieur de la Terre par Courtillot et al, 2003.  Source : V. Courtillot et al, EPSL, 205, 295-308, 2003 |
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Figure 86. Représentation schématique partielle de l'intérieur de la Terre par Kellog et al, 1999. Représentation schématique partielle de l'intérieur de la Terre par Kellog et al, 1999.  Source : Kellog et al., 1999 |
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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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Figure 88. Maladresses et erreurs impardonnables en 2005 Maladresses et erreurs impardonnables en 2005 |
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Figure 91. Maladresses du second schéma Maladresses du second schéma  Source du schéma : P.-A. Bourque |
Figure 92. Remarque sur des expressions couramment entendues Remarque sur des expressions couramment entendues  Source de l'image du bas |
Figure 93. Casserole chauffée par le bas et convection mantellique Casserole chauffée par le bas et convection mantellique  Source : Claude Calvez |
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Figure 95. Subduction et différence de densité entre croûtes océaniques et continentales Subduction et différence de densité entre croûtes océaniques et continentales |
Figure 96. Fabrication de lithosphère au niveau des dorsales et disparition en subduction Fabrication de lithosphère au niveau des dorsales et disparition en subduction |
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 97. Autres planètes silicatées actives étudiées Autres planètes silicatées actives étudiées  Source : NASA |
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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.
Mots clés : Convection mantellique, Tectonique des plaques, Couche limite termique, Manteau, Géodynamique, Circulation convective, Flux de chaleur, Discontinuité, Vénus, Io, Encelade, Subduction
