La convection mantellique, mythes, réalités et questions

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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.

Source - © 1986 - 1959 E. Wolfe, USGS - J.P. Eaton, USGS Figure 1. Introduction	Source - © Figure 2. Le centre de la Terre (l'enfer) vu par un artiste du Moyen-Âge Miniature du XVème siècle, illustrant La Cité de Dieu, de Saint Augustin, BNF	Source - © 2004 Pierre Thomas Figure 3. L'enfer représenté sur la cathédrale de Bourges
Source - © 1602-1680 R.P. Kircher, in Mundus subterraneus Figure 4. Le centre de la Terre imaginé au 17ème siècle	Figure 5. Représentations de l'intérieur de la Terre au dèbut de XXème siècle	Figure 6. Carte du flux géothermique à la surface de la Terre
Figure 7. Les plaques lithosphériques et leurs mouvements	Figure 8. 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.	Figure 9. Localisation de la zone qui convecte
Source - © 2004 P.-A. Bourque - USGS Figure 10. Représentations diverses de la géodynamique globale et de la convection mantellique

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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.

Figure 11. Hypothèse de travail : régime stationnaire	Figure 12. Transmission de la chaleur dans les corps "opaques" indéformables	Source - © 2004 Pierre Thomas Figure 13. Transmission de la chaleur dans un corps déformable avec un gradient normal de densité
Source - © 2004 Pierre Thomas Figure 14. Transmission de la chaleur dans un corps déformable avec un gradient inverse de densité	Source - © 2004 Yanick Ricard/Pierre Thomas Figure 15. Schéma représentatif d'un schéma d'un système convectif	Source - © 2004 Glenn Elert Figure 16. Définition de couche limite-thermique
Source - © 2001 Nathan Figure 17. Version imagée de la convection	Source - © 2004 Pierre Thomas Figure 18. Représentation schématique de la convection à une couche et du profil de température associé	Source - © 2004 Pierre Thomas Figure 19. Représentation schématique de la convection à deux couches et du profil de température associé
Source - © 2004 AEI/ISA - Yen-Wen Lu Figure 20. 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	Source - © 2004 Yen-Wen Lu Figure 22. Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne, diffus dans la masse
Source - © 2004 Yen-Wen Lu Figure 23. Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne (>>50%) et chauffage par le bas (<<50%)	Source - © 2004 Southend-on-Sea Borough Council Figure 24. Résumé : origine de la mise en mouvement de la couche limite thermique (CLT)	Source - © 2004 Yanick Ricard Figure 25. Modélisation numérique de la convection

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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.

Figure 26. Diffusion ou convection	Figure 27. Physique de la convection (1/2)	Figure 28. Physique de la convection (2/2)
Figure 29. Modélisation numérique de la convection Ra<1000 ou 1000<Ra<2000	Figure 30. Modélisation numérique de la convection Ra=104 et Ra=105	Source - © 2005 Joerg Schmalz/Yanick Ricard Figure 31. Modélisation numérique de la convection Ra=106 et Ra=107
Source - © 2005 Joerg Schmalz/Yanick Ricard Figure 32. Modélisation numérique de la convection Ra=108

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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.

Figure 33. Échantillons de manteau terrestre remontés sous forme de xénolites dans des roches volcaniques	Source - © 2002 Wolfgang Weber Figure 34. Le manteau est solide mais les solides sont visqueux et peuvent se déformer, comme le montre ce glacier canadien	Figure 35. Utilisation du rebond glaciaire pour mesurer la viscosité du manteau (1/2)
Figure 36. Utilisation du rebond glaciaire pour mesurer la viscosité du manteau (2/2)	Figure 37. Exemples de valeurs de viscosités	Source - © 2004 Wm Leler Figure 38. Quelle est la différence de température entre la base et le sommet du manteau ?
Source - © 2001 Philippe Gillet - S. Merkel Figure 39. Discontinuités sismiques et phases minérales du manteau	Figure 40. 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
Figure 42. Estimation de la différence de température entre la base et le sommet du manteau	Source - © 2001 D. Vecerka - D. Dauphin Figure 43. Calcul de la valeur de Ra du manteau terrestre et conclusion	Figure 44. Déduction du profil de température à l'intérieur de la Terre
Source - © 1982 Turcotte & Schubert Figure 45. La lithosphère et les dorsales dans ce modèle

Nous résumons ce qui précède, l'appliquons à ce qu'on sait de la Terre, et introduisons ce qui va suivre :

Figure 46. Résumons avant d'aller plus loin

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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.

Figure 47. Principe de la tomographie	Figure 48. Coupe tomographique à l'est du Pacifique	Source - © 1999 Van Heijst, Ritsema et Woodhouse Figure 49. Coupe tomographique de l'océan Atlantique
Figure 50. Conclusion des observations	Source - © 2001 Physics of the Earth and Planetary Interiors 127, 167 Figure 51. Coupes tomographiques montrant la lithosphère subduite	Source - © 2001 S. Merkel Figure 52. Explication de la "stagnation" à 670 km
Source - © 2000 C. Vigny Figure 53. Mouvement absolu des plaques lithosphériques	Figure 54. Relation entre le mouvement absolu des plaques et la proportion de leurs frontières en subduction	Figure 55. Cas des plaques ceinturées de dorsales

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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".

Figure 56. Exemple d'Hawaii	Source - © 1999 H. Bijwaard, W. Spackman, EPSL Figure 57. Coupe tomographique sous l'Islande	Source - © 2004 R. Montelli, Science Figure 58. Images tomographiques de points chauds du Pacifique
Figure 59. Modèle théorique pour expliquer les points chauds	Source - © 1997 Taylor et al., EPSL Figure 60. Différence géochimique entre le manteau qui fond sous les dorsales et le manteau profond	Figure 61. Comparaison de l'importance relative entre remontée active et remontée passive

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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.

Figure 62. Réflexion sur les modèles analogiques Voir "convection et ombroscopie".	Figure 63. Modèles analogiques : idées importantes	Figure 64. Principe de l'ombroscopie
Figure 65. Forme d'un point chaud en modélisation analogique Voir "convection et ombroscopie".	Figure 66. Résultats de la modélisation par ombroscopie Voir "convection et ombroscopie".	Figure 67. Origine des difficultés à modéliser analogiquement une subduction

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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.

Figure 68. But des calculs simplistes	Figure 69. Valeurs utiles dans les calculs	Figure 70. Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (1/2)
Figure 71. Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (2/2) Seconde approche	Figure 72. Calcul simplifié de la poussée au niveau d'une dorsale	Figure 73. Calcul simplifié de la traction au niveau d'une subduction
Figure 74. Premier mode de fonctionnement d'une zonde de subduction	Figure 75. Deuxième mode de fonctionnement d'une zone de subduction	Source - © 2005 Claudio Faccenna Figure 76. Modélisation analogique d'un "Roll back"
Figure 77. Conclusion

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Ces 6 figures illustrent le rôle de flotteur de la croûte basaltique, mais le rôle de "lest" de la croûte éclogitisée.

Figure 78. À partir de quel moment la croûte océanique ne peut-elle plus être un flotteur suffisant ?	Figure 79. Équation de base	Figure 80. Calcul du temps au bout duquel la lithosphère océanique plonge "spontanément"
Figure 81. Conséquence de l'éclogitisation (1/2)	Source - © 2005 P. Thomas / B.Walker Figure 82. Conséquence de l'éclogitisation (2/2)	Figure 83. Calcul des densités le long d'une plaque subduite

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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.

Figure 84. Les interrogations majeures en suspens
Source - © 2003 V. Courtillot et al., EPSL Figure 85. Représentation schématique partielle de l'intérieur de la Terre (1/2)	Source - © 1999 Kellog et al., Science Figure 86. Représentation schématique partielle de l'intérieur de la Terre (2/2)	Source - © 2005 Nathan, livre de 4ème Figure 87. Localisation du magmatisme

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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.

Figure 88. Maladresses et erreurs impardonnables en 2005	Figure 89. Schémas classiques de la géodynamique	Figure 90. Maladresses du premier schéma
Source - © 2004 P.-A. Bourque Figure 91. Maladresses du second schéma	Source - © 2005 netslide Figure 92. Remarque sur des expressions couramment entendues	Source - © 2005 C. Calvez Figure 93. Casserole chauffée par le bas et convection mantellique
Source - © - D. Pizzo - Gemeaux Figure 94. Remarque sur l'image du tapis roulant	Figure 95. Fabrication de lithosphère au niveau des dorsales et disparition en subduction

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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.

Source - © - NASA Figure 96. Autres planètes silicatées actives étudiées	Source - © 2003 BASS 2000 Figure 97. Style de convection et viscosité	Source - © 1999 USGS -Lin Pei Figure 98. Importance de l'hydratation du manteau
Source - © - NASA Figure 99. Cas de Vénus et d'Io	Source - © 2005 NASA/JPL/Space Science Institute Figure 100. Cas d'Encelade