Obsolète Conférence | 02/04/2005

La convection mantellique, mythes, réalités et questions

02/04/2005

Auteur(s) / Autrice(s) :

Pierre Thomas
ENS de Lyon - Laboratoire des Sciences de la Terre

Publié par :

Florence Kalfoun
ENS de Lyon / DGESCO

Résumé

Plan détaillé et diapositives d'une conférence traitant de la convection et de sa place dans la tectonique des plaques.

Cette ressource est classée “obsolète” car elle répond à au moins l'un des trois critères suivants : 1/ contenu scientifique daté, imparfait, dépassé ; 2/ contenu repris et/ou mieux expliqué dans au moins une ressource plus complète ; 3/ ressource redondante car au moins une ressource plus récente en est une mise à jour (même peu de temps après).

Dans le cas présent, une conférence équivalente plus récente a été publiée.

Cet article propose les illustrations d'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.

Cette conférence puise largement dans :

Pour chaque partie vous pouvez soit ouvrir directement le fichier des diapositives soit ouvrir séparément chaque image en cliquant sur son titre.

Introduction, clins d'œil historiques et définition du problème

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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.

**Figure 1.** Introduction — ouvrir l’image en grand
Source - © 1986 - 1959 — E. Wolfe, USGS - J.P. Eaton, USGS

**Figure 2.** Le centre de la Terre (l'enfer) vu par un artiste du Moyen-Âge — ouvrir l’image en grand
Source - © —

Miniature du XV^ème siècle, illustrant La Cité de Dieu, de Saint Augustin, BNF

**Figure 3.** L'enfer représenté sur la cathédrale de Bourges — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Pierre Thomas

Le centre de la Terre imaginé au 17ème siècle — **Figure 4.** Le centre de la Terre imaginé au 17^ème siècle — ouvrir l’image en grand
Source - © 1602-1680 — R.P. Kircher, in Mundus subterraneus

**Figure 5.** Représentations de l'intérieur de la Terre au dèbut de XXème siècle — ouvrir l’image en grand

**Figure 6.** Carte du flux géothermique à la surface de la Terre — ouvrir l’image en grand

**Figure 7.** Les plaques lithosphériques et leurs mouvements — ouvrir l’image en grand

**Figure 8.** Chaine volcanique des Empereurs-Hawaii vue sur une carte topographique de l'océan Pacifique — ouvrir l’image en grand
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 — ouvrir l’image en grand

**Figure 10.** Représentations diverses de la géodynamique globale et de la convection mantellique — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — P.-A. Bourque - USGS

Généralité sur la convection

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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 — ouvrir l’image en grand

**Figure 12.** Transmission de la chaleur dans les corps "opaques" indéformables — ouvrir l’image en grand

**Figure 13.** Transmission de la chaleur dans un corps déformable avec un gradient normal de densité — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Pierre Thomas

**Figure 14.** Transmission de la chaleur dans un corps déformable avec un gradient inverse de densité — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Pierre Thomas

**Figure 15.** Schéma représentatif d'un schéma d'un système convectif — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Yanick Ricard/Pierre Thomas

**Figure 16.** Définition de couche limite-thermique — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Glenn Elert

**Figure 17.** Version imagée de la convection — ouvrir l’image en grand
Source - © 2001 — Nathan

**Figure 18.** Représentation schématique de la convection à une couche et du profil de température associé — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Pierre Thomas

**Figure 19.** Représentation schématique de la convection à deux couches et du profil de température associé — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Pierre Thomas

**Figure 20.** Cas d'une convection thermique avec chauffage par le bas et refroidissement par le haut — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — AEI/ISA - Yen-Wen Lu

**Figure 21.** Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne, diffus dans la masse — ouvrir l’image en grand

**Figure 23.** Cas d'une convection thermique avec refroidissement par le haut et chauffage interne (>>50%) et chauffage par le bas (<<50%) — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Yen-Wen Lu

**Figure 24.** Résumé : origine de la mise en mouvement de la couche limite thermique (CLT) — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Southend-on-Sea Borough Council

**Figure 25.** Modélisation numérique de la convection — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Yanick Ricard

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.

**Figure 26.** Diffusion ou convection — ouvrir l’image en grand

**Figure 27.** Physique de la convection (1/2) — ouvrir l’image en grand

**Figure 28.** Physique de la convection (2/2) — ouvrir l’image en grand

Calcul du nombre de Rayleigh du manteau

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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 — ouvrir l’image en grand

**Figure 34.** Le manteau est solide mais les solides sont visqueux et peuvent se déformer, comme le montre ce glacier canadien — ouvrir l’image en grand
Source - © 2002 — Wolfgang Weber

**Figure 35.** Utilisation du rebond glaciaire pour mesurer la viscosité du manteau (1/2) — ouvrir l’image en grand

**Figure 36.** Utilisation du rebond glaciaire pour mesurer la viscosité du manteau (2/2) — ouvrir l’image en grand

**Figure 37.** Exemples de valeurs de viscosités — ouvrir l’image en grand

**Figure 38.** Quelle est la différence de température entre la base et le sommet du manteau ? — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — Wm Leler

**Figure 39.** Discontinuités sismiques et phases minérales du manteau — ouvrir l’image en grand
Source - © 2001 — Philippe Gillet - S. Merkel

**Figure 40.** Calcul de la température à 670 km à partir du diagramme de phase de l'olivine — ouvrir l’image en grand

**Figure 41.** Bilan des connaissances sur la température à l'intérieur de la Terre — ouvrir l’image en grand

**Figure 42.** Estimation de la différence de température entre la base et le sommet du manteau — ouvrir l’image en grand

**Figure 43.** Calcul de la valeur de Ra du manteau terrestre et conclusion — ouvrir l’image en grand
Source - © 2001 — D. Vecerka - D. Dauphin

**Figure 44.** Déduction du profil de température à l'intérieur de la Terre — ouvrir l’image en grand

**Figure 45.** La lithosphère et les dorsales dans ce modèle — ouvrir l’image en grand
Source - © 1982 — Turcotte & Schubert

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.

**Figure 46.** Résumons avant d'aller plus loin — ouvrir l’image en grand

Vérification observationnelle du « rôle » actif des subductions et passif des dorsales

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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 — ouvrir l’image en grand

**Figure 48.** Coupe tomographique à l'est du Pacifique — ouvrir l’image en grand

**Figure 49.** Coupe tomographique de l'océan Atlantique — ouvrir l’image en grand
Source - © 1999 — Van Heijst, Ritsema et Woodhouse

**Figure 50.** Conclusion des observations — ouvrir l’image en grand

**Figure 51.** Coupes tomographiques montrant la lithosphère subduite — ouvrir l’image en grand
Source - © 2001 — Physics of the Earth and Planetary Interiors 127, 167

**Figure 52.** Explication de la "stagnation" à 670 km — ouvrir l’image en grand
Source - © 2001 — S. Merkel

**Figure 53.** Mouvement absolu des plaques lithosphériques — ouvrir l’image en grand
Source - © 2000 — C. Vigny

**Figure 54.** Relation entre le mouvement absolu des plaques et la proportion de leurs frontières en subduction — ouvrir l’image en grand

**Figure 55.** Cas des plaques ceinturées de dorsales — ouvrir l’image en grand

Les points chauds

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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 — ouvrir l’image en grand

**Figure 57.** Coupe tomographique sous l'Islande — ouvrir l’image en grand
Source - © 1999 — H. Bijwaard, W. Spackman, EPSL

**Figure 58.** Images tomographiques de points chauds du Pacifique — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — R. Montelli, Science

**Figure 59.** Modèle théorique pour expliquer les points chauds — ouvrir l’image en grand

**Figure 60.** Différence géochimique entre le manteau qui fond sous les dorsales et le manteau profond — ouvrir l’image en grand
Source - © 1997 — Taylor et al., EPSL

**Figure 61.** Comparaison de l'importance relative entre remontée active et remontée passive — ouvrir l’image en grand

Modélisation analogique de la convection

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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 — ouvrir l’image en grand
Voir "convection et ombroscopie".

**Figure 63.** Modèles analogiques : idées importantes — ouvrir l’image en grand

**Figure 64.** Principe de l'ombroscopie — ouvrir l’image en grand

**Figure 65.** Forme d'un point chaud en modélisation analogique — ouvrir l’image en grand
Voir "convection et ombroscopie".

**Figure 66.** Résultats de la modélisation par ombroscopie — ouvrir l’image en grand
Voir "convection et ombroscopie".

**Figure 67.** Origine des difficultés à modéliser analogiquement une subduction — ouvrir l’image en grand

Quelques calculs élémentaires, et quelques considération supplémentaire sur les subductions

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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 — ouvrir l’image en grand

**Figure 69.** Valeurs utiles dans les calculs — ouvrir l’image en grand

**Figure 70.** Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (1/2) — ouvrir l’image en grand

**Figure 71.** Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (2/2) — ouvrir l’image en grand
Seconde approche

**Figure 72.** Calcul simplifié de la poussée au niveau d'une dorsale — ouvrir l’image en grand

**Figure 73.** Calcul simplifié de la traction au niveau d'une subduction — ouvrir l’image en grand

**Figure 74.** Premier mode de fonctionnement d'une zonde de subduction — ouvrir l’image en grand

**Figure 75.** Deuxième mode de fonctionnement d'une zone de subduction — ouvrir l’image en grand

**Figure 76.** Modélisation analogique d'un "Roll back" — ouvrir l’image en grand
Source - © 2005 — Claudio Faccenna

**Figure 77.** Conclusion — ouvrir l’image en grand

L'influence de la croûte océanique

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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 ? — ouvrir l’image en grand

**Figure 79.** Équation de base — ouvrir l’image en grand

**Figure 80.** Calcul du temps au bout duquel la lithosphère océanique plonge "spontanément" — ouvrir l’image en grand

**Figure 81.** Conséquence de l'éclogitisation (1/2) — ouvrir l’image en grand

**Figure 82.** Conséquence de l'éclogitisation (2/2) — ouvrir l’image en grand
Source - © 2005 — P. Thomas / B.Walker

**Figure 83.** Calcul des densités le long d'une plaque subduite — ouvrir l’image en grand

Les problèmes en suspens, et quelques représentations globales intégrant tout ce qui précède

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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 — ouvrir l’image en grand

**Figure 85.** Représentation schématique partielle de l'intérieur de la Terre (1/2) — ouvrir l’image en grand
Source - © 2003 — V. Courtillot et al., EPSL

**Figure 86.** Représentation schématique partielle de l'intérieur de la Terre (2/2) — ouvrir l’image en grand
Source - © 1999 — Kellog et al., Science

**Figure 87.** Localisation du magmatisme — ouvrir l’image en grand
Source - © 2005 — Nathan, livre de 4

Les maladresses et erreurs à ne plus commettre

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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 — ouvrir l’image en grand

**Figure 89.** Schémas classiques de la géodynamique — ouvrir l’image en grand

**Figure 90.** Maladresses du premier schéma — ouvrir l’image en grand

**Figure 91.** Maladresses du second schéma — ouvrir l’image en grand
Source - © 2004 — P.-A. Bourque

**Figure 92.** Remarque sur des expressions couramment entendues — ouvrir l’image en grand
Source - © 2005 — netslide

**Figure 93.** Casserole chauffée par le bas et convection mantellique — ouvrir l’image en grand
Source - © 2005 — C. Calvez

**Figure 94.** Remarque sur l'image du tapis roulant — ouvrir l’image en grand
Source - © - — D. Pizzo - Gemeaux

**Figure 95.** Fabrication de lithosphère au niveau des dorsales et disparition en subduction — ouvrir l’image en grand

la convection mantellique des autres planètes telluriques

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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.

**Figure 96.** Autres planètes silicatées actives étudiées — ouvrir l’image en grand
Source - © - — NASA

**Figure 97.** Style de convection et viscosité — ouvrir l’image en grand
Source - © 2003 — BASS 2000

**Figure 98.** Importance de l'hydratation du manteau — ouvrir l’image en grand
Source - © 1999 — USGS -Lin Pei

**Figure 99.** Cas de Vénus et d'Io — ouvrir l’image en grand
Source - © - — NASA

**Figure 100.** Cas d'Encelade — ouvrir l’image en grand
Source - © 2005 — NASA/JPL/Space Science Institute

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