Déformations profondes de la lithosphère océanique subduite

La convection thermique dans le manteau terrestre se manifeste en surface par la tectonique des plaques, par le volcanisme de type "point chaud", et se confirme par l'analyse et l'interprétation des données géophysiques comme le flux de chaleur, ou de la forme de la Terre.

Le manteau terrestre est séparé à 670 km de profondeur par une discontinuité sismique correspondant à un changement de phase entre le manteau supérieur et le manteau inférieur (dite "zone de transition" du manteau).

Pendant plusieurs décennies, un débat animait la communauté des géophysiciens du manteau. Selon certaines équipes, la convection s'effectuait en deux couches séparées ; selon d'autres, l'ensemble du manteau était impliqué dans une convection à une couche. L'apparente absence de séismes au-dessous de la zone de transition du manteau (séismes profonds provoqués par les plaques froides subduites) militait en faveur d'une convection à 2 couches. Depuis la parution d'une étude sismique en 1984 par Creager et Jordan, annonçant l'existence de séismes profonds, l'idée que les plaques subduites (les slabs) puissent traverser la zone de transition du manteau a permis de revoir les idées sur la structure de la convection mantellique.

C'est par les techniques de tomographie sismique au début des années 1990 que l'on a pu obtenir des images correspondant aux zones anormalement froides dans le manteau, c'est-à-dire aux plaques océaniques subduites.

Plusieurs études indépendantes ont ainsi montré que les plaques subduites se déformaient de façon différente à la rencontre de la zone de transition. La figure ci-dessous illustre les résultats de ces études.

Source - © 2001 D.C. Rubie, R.D. Van der Hilst, Physics of the Earth and Planetary Interiors

Figure 1. Sections tomographiques verticales dans le manteau.

Des sections tomographiques verticales dans le manteau sont représentées.

Coupa A-A' : zone de subduction en mer Egée / Coupe B-B'  : zone de subduction des îles Kouriles / Coupe C-C' : zone de subduction d'Izu Bonin / Coupe D-D' : zone de subduction de Java / Coupe E-E'  : zone de subduction de Tonga / Coupe F-F'  : zone de subduction en Amérique centrale.

On constate que le panneau plongeant (slab) semble s'étaler sur la zone de transition pour la zone des îles Kouriles (coupe B-B'), alors qu'il pénètre dans le manteau inférieur sous l'Amérique centrale (coupe F-F').

Sous l'Amérique du Nord, une anomalie froide a été également imagée dans le manteau inférieur (travaux de Steve Grand, ci-dessous, figure 2).

Source - © 1997 Steve Grand

Figure 2. Anomalie froide dans le manteau sous l'Amérique du Nord

La topographie de la zone de transition (à 660 km de profondeur) a également confirmé la co-existence de zones à grandes dépressions (zone de subduction Kouriles-Kamchatka, coupe B-B' de la figure 1), avec des zones sans dépressions (zone de subduction de Java, coupe D-D' de la figure 1).

Source - © 1993 P.M. Shearer, Geophysical Journal International

Figure 3. Topographie de la zone de transition (660 km)

La zone de transition se manifeste par un saut de densité et de viscosité entre le manteau supérieur et le manteau inférieur. Intuitivement, il semblerait logique que les plaques subduites ne pénètrent pas cette barrière, mais l'existence d'anomalies froides dans le manteau inférieur, reliées aux plaques océaniques subduites du manteau supérieur, nécessite de mieux comprendre la physique de la subduction profonde. Les modélisations analogiques et numériques permettent d'approcher cette physique.

Voici quelques articles de Planet-Terre traitant de modélisation de la subdcution.

K.C. Creager, T.H. Jordan, 1984. Slab penetration into the lower mantle, Journal of Geophysical Research, 89, 3031-3049.

D.C. Rubie, R.D. Van der Hilst, 2001. Processes and consequences of deep subduction, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 127, 1-7. doi:10.1016/S0031-9201(01)00217-5

P.M. Shearer, 1993. Global mapping of upper mantle reflectors from long-period S waves, Geophysical Journal International, 115, 878-904.