Les discontinuités dans le manteau terrestre

Il y a un saut de vitesse sismique assez brusque vers 670 km de profondeur, saut qui correspond à un changement de phase de l'olivine, avec passage de minéraux silicatés à structure tétraédrique (olivine gamma de formule générale (Fe,Mg)₂SiO₄ ou Mg₂SiO₄ pour le pôle magnésien qui est dominant dans le manteau) à un mélange de 2 minéraux silicatés sans structure tétraédrique : la pérovskite (Pv, MgSiO₃) et la magnésiowustite (Mw, MgO), soit :

Mg₂SiO₄⇄ MgSiO₃ + MgO

Au-dessus de cette limite de 670 km, c'est le manteau supérieur ; en dessous, c'est le manteau inférieur.

Figure 1. Profil de vitesse des ondes sismiques dans le manteau

Dans le manteau supérieur, il y a deux autres changements de phase pour l'olivine : au-dessus de 410 km, c'est l'olivine dite alpha (Mg₂SiO₄), qui correspond à l'olivine banale présente dans toutes les collections de péridotites, basaltes...

Source - © 2002 S. Chevrot, CNES

Figure 2. Diagramme de phase de l'olivine

Ol : olivine alpha, Wa : olivine bêta Sp : olivine gamma (encore couramment appelé spinelle dans de très nombreux ouvrages).

À 410 km, cette olivine change de structure cristalline et devient olivine bêta (de même formule), qui a son tour change encore de structure à 520 km et devient olivine gamma (même formule).

Ces 3 olivines sont formées de tétraèdres silicatés, contrairement à la pérovskite. La zone comprise entre 410 et 670 km est souvent appelée « zone de transition ».

Figure 3. Phases de l'olivine et vitesses des ondes S dans le manteau supérieur

Les définitions de la lithosphère et de l'asthénosphère sont beaucoup plus débattues.

La première définition a d'abord été une définition sismologique, puis mécanique. La plus communément admise actuellement est une définition "thermique".

Dans la lithosphère, la chaleur se propage par conduction, alors que dans l'asthénosphère la chaleur est transmise par conduction mais aussi par convection.

La lithosphère est donc ce que les physiciens appellent la « couche limite thermique » supérieure du système convectif mantellique.

Figure 4. Définition thermique de la limite lithosphère/asthénosphère

Pour simplifier, on peut dire que la lithosphère, c'est ce qui est suffisamment rigide et "cassant" parce que froid, alors que l'asthénosphère correspond à la part du manteau supérieur sous-jacent, moins rigide et plus ductile parce que plus chaud.

La limite lithosphère/asthénosphère correspond approximativement à l'isotherme 1300°C. La lithosphère comprend évidemment dans la plupart des cas une part mantellique et une part crustale.

La limite inférieure de l'asthénosphère est à 670 km de profondeur.

Au sommet de l'asthénosphère (entre -100 et -200 km sous les plaines abyssales et les parties non cratoniques des continents), on observe souvent un net ralentissement de la vitesse des ondes sismiques.

Figure 5. Présence d'une zone de moindre vitesse sismique dans le manteau

Cette partie supérieure de l'asthénosphère où les vitesses sont plus lentes (4,5 km/s au lieu de 5 km/s pour les ondes S) est appelée Low Velocity Zone (LVZ).

Les vitesses sismiques sont plus lentes dans cette couche (relativement fine) car les conditions de température et de pression sont voisines de celles nécessaires à la fusion de la péridotite mantellique. Il s'agit donc d'un manteau « presque fondu », et c'est pour cela que les ondes sismiques sont légèrement ralenties.

Le somment de cette LVZ correspond à peu près à l'isotherme 1300°C.

La LVZ fait donc partie de l'asthénosphère, qui fait partie du manteau supérieur.

La lithosphère océanique est très mince au niveau des dorsales (réduite au 5 à 7 km de la croûte océanique), et s'épaissit quand on s'éloigne de la dorsale (jusqu'à une centaine de kilomètres d'épaisseur sous les vieilles plaines abyssales).

Source - © 2000 A. Nicolas, Les montagnes sous la mer, Éd. BRGM, p.24

Figure 6.  Variation d'épaisseur de la lithosphère océanique en fonction de son âge

Avec l'éloignement à la dorsale, il y a refroidissement du manteau et donc approfondissement de l'isotherme 1300°C (limite lithosphère/asthénosphère), ce qui entraîne un épaississement de cette lithosphère.

La lithosphère continentale est plus épaisse et peut atteindre 200 km sous les vieux boucliers.

La viscosité de l'asthénosphère est d'environ 10¹⁸ à 10¹⁹ Pa.s. Celle de la lithosphère est de trois ordres de grandeur plus élevée : 10²¹ à 10²² Pa.s. Celle du manteau inférieur, mal connue, est d'environ 10²³ à 10²⁴ Pa.s, d'après les modèles les plus récents. Le manteau inférieur est donc plus visqueux que le manteau supérieur.

Rappelons enfin, pour comparer, que la viscosité de l'eau est de 10^-2 Pa.s, celle de l'huile d'olive à 20°C est de 1 Pa.s, celle d'une lave basaltique (hawaïenne) est de 400 Pa.s, celle de la glace à 0°C (glacier alpin) est de 10¹¹ Pa.s, et celle de la glace à -20°C (calotte antarctique) est de 10¹³ Pa.s.

Figure 7. Image par interférométrie montrant les vitesses d'écoulement d'un glacier en Antarctique

La vitesse d'écoulement est faible en amont de ce glacier (en bas de l'image). C'est le bord de la calotte sensu-stricto. Cette calotte s'engage dans une vallée ; il y a canalisation de la glace et augmentation de la vitesse d'écoulement. On constate également que la glace avance plus vite au centre que sur les bords. Les fortes vitesses d'écoulement (couleur rouge) sont probablement liées à une rupture de pente avec chute de séracs.