Obsolète Conférence | 02/04/2005
La convection mantellique, mythes, réalités et questions
02/04/2005
Résumé
Plan détaillé et diapositives d'une conférence traitant de la convection et de sa place dans la tectonique des plaques.
Table des matières
- Introduction, clins d'œil historiques et définition du problème
- Généralité 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 quelques 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 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.
Source - © 1986 - 1959 E. Wolfe, USGS - J.P. Eaton, USGS Figure 1. Introduction | 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 | |
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 |
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 | Source - © 2004 Pierre Thomas | |
Source - © 2004 Pierre Thomas | Source - © 2004 Glenn Elert Figure 16. Définition de couche limite-thermique | |
Figure 17. Version imagée de la convection | ||
Source - © 2004 AEI/ISA - Yen-Wen Lu | Source - © 2004 Yen-Wen Lu | |
Source - © 2004 Yen-Wen Lu | Source - © 2004 Southend-on-Sea Borough Council | Source - © 2004 Yanick Ricard Figure 25. Modélisation numérique de la convection |
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 | 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 |
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.
Source - © 2002 Wolfgang Weber | ||
Figure 37. Exemples de valeurs de viscosités | Source - © 2004 Wm Leler | |
Source - © 2001 Philippe Gillet - S. Merkel | ||
Source - © 2001 D. Vecerka - D. Dauphin | ||
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
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 | Figure 48. Coupe tomographique à l'est du Pacifique | Figure 49. Coupe tomographique de l'océan Atlantique |
Figure 50. Conclusion des observations | 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 55. Cas des plaques ceinturées de dorsales |
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 | Source - © 1999 H. Bijwaard, W. Spackman, EPSL Figure 57. Coupe tomographique sous l'Islande | Source - © 2004 R. Montelli, Science |
Source - © 1997 Taylor et al., EPSL |
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 | Figure 63. Modèles analogiques : idées importantes | Figure 64. Principe de l'ombroscopie |
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 | Figure 69. Valeurs utiles dans les calculs | |
Figure 71. Différence de hauteur entre une dorsale et la plaine abyssale (2/2) Seconde approche | ||
Source - © 2005 Claudio Faccenna Figure 76. Modélisation analogique d'un "Roll back" | ||
Figure 77. Conclusion |
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 79. Équation de base | ||
Figure 81. Conséquence de l'éclogitisation (1/2) | Source - © 2005 P. Thomas / B.Walker Figure 82. Conséquence de l'éclogitisation (2/2) |
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 | ||
Source - © 2003 V. Courtillot et al., EPSL | Source - © 1999 Kellog et al., Science | Figure 87. Localisation du magmatisme |
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 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 94. Remarque sur l'image du tapis roulant |
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 | Source - © 2003 BASS 2000 Figure 97. Style de convection et viscosité | Figure 98. Importance de l'hydratation du manteau |
Figure 99. Cas de Vénus et d'Io | Source - © 2005 NASA/JPL/Space Science Institute Figure 100. Cas d'Encelade |