TERRE Structure interne

Convection, plaques tectoniques, points chauds et panaches volcaniques

Depuis l'avènement de la tectonique des plaques, il est devenu possible de décrire quantitativement les mouvements à la surface de la Terre. Les plaques tectoniques, considérées comme des corps rigides, sont la manifestation en surface de mouvements profonds de matière (courants chauds ascendants et courants froids descendants) qui permettent l’évacuation de la chaleur de la Terre due à la radioactivité de plusieurs éléments chimiques (principalement uranium 235 et 238, thorium 232 et potassium 40) et au refroidissement du noyau. Cette circulation de matière à l’intérieur de la Terre, par le mécanisme de la convection thermique, est relativement lente (quelques centimètres par an) et la matière en mouvement (roches) reste solide mais très visqueuse (ductile), c’est-à-dire déformable sur le très long terme. La convection thermique dans la Terre est connue depuis les années 1930, notamment grâce aux travaux d’Arthur Holmes (1931) et de Chaim Pekeris (1935). Elle est responsable de nombreux processus dynamiques tels que la surrection des montagnes, l'activité volcanique et sismique, la subduction des plaques et l’expansion des fonds océaniques. Ces divers phénomènes constituent la première manifestation des particularités de la convection mantellique, car ils montrent qu’il existe de gigantesques variations dans les propriétés rhéologiques (liées au comportement de la matière sous l’effet d’une contrainte) du matériau terrestre entre les plaques rigides (constituées par la lithosphère) et le manteau sous-jacent plus visqueux ne pouvant être expliquées par les modèles 1D (qui n’autorisent pas les variations latérales des propriétés physiques et chimiques).

En 1963, le Canadien John Tuzo Wilson identifie des zones de volcanisme dit de point chaud, engendrant, souvent au milieu des océans, des volcans très actifs (tels que ceux d’Hawaii et de la Réunion). De façon surprenante, ces points chauds semblent fixes par rapport aux mouvements des plaques, formant des alignements de volcans sur celles-ci. L’Américain William Jason Morgan, dans les années 1970, a proposé que leur origine doit être recherchée dans le manteau inférieur, voire à l’interface manteau-noyau. Malgré sa puissance et son caractère prédictif, la théorie de la tectonique des plaques ne peut expliquer l’existence de ces points chauds à la surface de la Terre. En effet, elle cantonne l’ensemble de l’activité sismique et volcanique aux frontières des plaques, alors que le plus grand nombre des points chauds sont situés au milieu de celles-ci. Les géodynamiciens s’accordent à penser que l'origine des points chauds et des grandes provinces magmatiques observés en surface est due à des panaches, c’est-à-dire des remontées de roches solides très profondes anormalement chaudes du manteau qui finissent par arriver à la base de la lithosphère pour former les magmas en fusion alimentant des volcans dits de points chauds et de grands épanchements basaltiques. Les panaches prennent naissance à l’interface entre deux couches très peu miscibles. Mais la profondeur d'origine des points chauds reste controversée : cette matière chaude provient-elle de la limite manteau inférieur-noyau externe (à 2 900 km de profondeur), ou de la base du manteau supérieur (à 660 km de profondeur), voire de l’asthénosphère (vers 220 km de profondeur) ? Les propriétés mécaniques de la lithosphère rigide – très différentes de celles de l’asthénosphère sous-jacente qui est plus facilement déformable – et l'existence de points chauds sont deux exemples simples illustrant le fait que la convection mantellique diffère à bien des égards de la convection « classique » observée en laboratoire dans les fluides visqueux habituels et développant des cellules de convection régulières et stables appelées cellules de Bénard (du nom du physicien français Henri Bénard qui les a mises en évidence lors d’une expérience en 1900).

Une convection mantellique chaotique et turbulente

La compréhension de la dynamique du manteau s’apparente à une enquête policière : chaque domaine des sciences de la Terre fournit des indices divers et souvent contradictoires, qui doivent être assemblés comme les pièces d’un puzzle. Différentes approches sont menées pour caractériser et comprendre la convection mantellique. Aucune d'entre elles ne peut fournir une explicationgénérale et cohérente permettant d’élucider à la fois la forme et la géométrie des plaques, l'origine des points chauds, le nombre de couches dans le manteau, etc. De nombreuses questions se sont posées : jusqu’à quelle profondeur la géologie de surface (continents, limites des plaques, chaînes de montagnes, points chauds) reflète-t-elle ou influence-t-elle la structure interne ? Comment se caractérisent les interactions et le couplage entre les différentes couches de la Terre ? Comment les mouvements de convection du manteau affectent-ils la géologie de la surface ? ou, inversement, comment les phénomènes de surface influent-ils sur la dynamique profonde ?

Un autre problème difficile à résoudre est la caractérisation des échelles spatiales des hétérogénéités affectant globalement la Terre : y a-t-il des échelles prédominantes ou pourquoi y a-t-il des hétérogénéités à toutes les échelles ? La géologie met en évidence une multiplicité d'échelles. Certaines plaques tectoniques sont gigantesques (plus de 10 000 km), d'autres plus petites (1 000 km). Les continents ont également des tailles très variées, entre l’Eurasie et l’Australie par exemple. Les différentes limites des plaques (zones de subduction, dorsales, failles transformantes) ont une faible extension latérale (au maximum une centaine de kilomètres hors les zones de collision continent-continent). Les points chauds sont encore plus petits et leur rôle dans la géodynamique globale ne peut pas être expliqué par la tectonique des plaques. Cette approche multiéchelle est également présente pour le temps. Alors que l’échelle temporelle associée à la tectonique des plaques se compte en dizaines de millions d'années, les événements catastrophiques tels que la naissance de points chauds, les avalanches des plaques qui plongent dans le manteau, les cycles sismiques et volcaniques peuvent durer moins d’un million d’années, voire seulement quelques siècles. Quant aux éruptions volcaniques et séismes proprement dits, il faut descendre à l’échelle de l’heure, de la minute et même de la seconde pour les étudier. Selon les échelles de temps, les propriétés rhéologiques des matériaux changent. Par conséquent, les phénomènes naturels sont par essence multiéchelles et nécessitent une approche pluridisciplinaire. Le rôle des géoscientifiques consiste à quantifier, comprendre les processus et proposer des lois simples tenant compte de ces différentes échelles malgré la complexité des phénomènes.

L'une des approches les plus efficaces pour étudier la convection mantellique est l'approche numérique. Les équations de base de la physique régissant la convection du manteau sont bien connues : équations de Navier-Stokes, qui gouvernent la mécanique des fluides, et équations thermodynamiques de la conservation de l'énergie et de l’entropie. Elles sont très complexes et non linéaires, formulées à l’aide de nombres adimensionnels tels que le nombre de Rayleigh (Ra) exprimant l’efficacité des mouvements de convection. Les estimations réelles de Ra dans le manteau sont largement au-delà du nombre critique de Rayleigh (associé à la naissance de la convection), ce qui implique que la convection mantellique est thermiquement turbulente, c’est-à-dire qu’elle évolue en permanence. Elle est aussi chaotique aux échelles de temps géologiques, ce qui signifie que les mouvements convectifs ne sont stables ni dans le temps ni dans l'espace. Avec l'explosion de la puissance de calcul des ordinateurs, il est désormais possible de simuler numériquement ces systèmes d'équations. Cependant, on commence à peine à reproduire de cette façon le comportement des plaques, d’où la nécessité d’effectuer parallèlement des expériences en laboratoire. Ces dernières, venant compléter l'ensemble de la batterie numérique, permettent d’analyser de façon précise certains phénomènes spécifiques. La science des matériaux, en étudiant les propriétés physiques des minéraux de la Terre (propriétés rhéologiques, c’est-à-dire élastiques et anélastiques) à très haute pression (en utilisant les cellules à enclumes de diamant et les synchrotrons), fournit également des informations importantes sur la composition minéralogique du manteau. La plupart des discontinuités sismiques, comme celles situées vers 410 et 660 kilomètres (délimitant la zone de transition supérieure), peuvent être interprétées comme des changements de phase du système olivine, le minéral silicaté de loin le plus abondant du manteau (devant les pyroxènes), dus à l’augmentation de la pression et de la température avec la profondeur. Dans le manteau inférieur, du fait des changements de phase, les minéraux dominants sont la bridgmanite (pérovskite silicatée) et le ferropériclase (encore appelé magnésiowüstite). Cependant, il ne faut pas exclure qu’il puisse aussi y avoir des changements de composition chimique autour de ces profondeurs et même plus profondément dans le manteau inférieur où la convection thermochimique (prenant en compte non seulement les variations de température mais aussi les variations chimiques) pourrait être prédominante. La découverte inattendue de la post-pérovskite (phase haute pression de silicates de magnésium) en 2004 par une équipe japonaise, présente à la base du manteau inférieur, a montré que celle-ci a une influence fondamentale sur le mélange convectif dans le manteau profond, en particulier dans la couche D’’. Par exemple, le fait qu’elle soit anisotrope va conditionner le flux de matière à la base du manteau vers le reste du manteau inférieur.