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terreLe manteau terrestre en cuveterre - 01/04/2000 par Christophe Sotin dans mensuel n°330 à la page 24 (1168 mots) | GratuitSi la majorité des manifestations de l'activité terrestre à la surface du Globe s'expliquent bien dans le cadre de la théorie de la tectonique des plaques, deux formes de volcanisme échappent à la règle. Suivant la théorie, tous les mouvements, comme les séismes ou les éruptions volcaniques, doivent se produire aux frontières de ces blocs rigides. Or, à Hawaii ou en Polynésie française, les volcans s'érigent au beau milieu d'une plaque. A Hawaii, il s'agit de volcans isolés, dits volcans de points chauds, alimentés par des panaches de matière chaude qui remontent des profondeurs du manteau terrestre*. En Polynésie, ces points chauds sont associés en essaims, chevauchant un bombement topographique de plusieurs milliers de kilomètres d'étendue.
Rendre compte de toutes ces observations dans un seul modèle est évidemment l'un des objectifs actuels des géophysiciens. Il faut pour cela comprendre le fonc- tionnement de leur moteur commun, c'est-à-dire des mouve- ments de convection dans le manteau solide qui permettent à la Terre d'évacuer sa chaleur interne.
Depuis les années 1970, simulations numériques et expériences en laboratoire tentent de reproduire ce brassage. Comment étudier sur une paillasse ou sur une grille numérique des mouvements de roches qui se font sur des milliers de kilomètres et des dizaines de millions d'années ? Toute l'approche repose sur un raisonnement aux dimensions : la dynami- que de la convection est en effet contrôlée par un équilibre de forces, qui se traduit par un rapport donné entre les différents paramètres en jeu viscosité, diffusion thermique, taille du système, différence de température, et non par la valeur même de ces paramètres. C'est donc ce rapport qu'il faut conserver dans un modèle réduit. Concrètement, au laboratoire, on passe de roches à des liquides, de millions d'années à des minutes, de différences de température de centaines ou de milliers de degrés à des dizaines de degrés, et bien sûr de la Terre à une cuve. Deux couches de fluides bien choisis, chauffées par le bas et refroidies par le haut, peuvent ainsi mimer le comportement des couches inférieure et supérieure du manteau terrestre.
Selon les données sismiques et les études des minéraux, dans le manteau, les anomalies de densité liées à un changement de composition chimique ne dépassent pas les 1 % à 2 %. Deux premières expériences réalisées par l'Américain Peter Olson ou l'Allemand Uli Christensen dans les années 1980 ont montré qu'en dessous de 2 % ces anomalies disparaissaient en se mélangeant et pouvaient être négligées1,2. On a donc souvent étudié la dynamique du manteau en termes de convection purement thermique dans une enveloppe homogène. Mais cette approche pose au moins deux problèmes : elle n'explique pas la persistance de réservoirs géochimiques distincts sur plusieurs milliards d'années, dont atteste la composition des laves. Et aucune de ces expériences n'a jamais réussi à générer simultanément les grands bombements et les étroits points chauds.
Grâce à une nouvelle expérience, Anne Davaille de l'Institut de physique du Globe de Paris vient d'éclaircir ces deux points. A la différence de ses prédécesseurs, elle a pu explorer tous les cas de figures combinant les faibles contrastes chimiques à des anomalies de viscosité. Elle a pour cela utilisé deux couches, d'épaisseur variable, de mélanges d'eau, de sel et de cellulose. Le sel permet de modifier la composition chimique et la cellulose de faire varier la viscosité. Ces expériences, dont les résultats ont été récemment publiés par l'hebdomadaire Nature ,montrent que le paramètre décisif est le rapport entre les variations de densité liées à la composition chimique et celles dues aux différences de températures3,4. Si ce rapport est supérieur à 1, la convection thermochimique s'organise en un régime stratifié : l'interface entre les couches est très peu déformée, et les mouvements se font indépendamment dans chacune des couches. Quelques panaches isolés, étroits et chauds, s'élèvent de l'interface vers le haut de la cuve. C'est le régime que l'on a longtemps cru en vigueur au sein du manteau actuel. Mais si ce rapport est inférieur à 0,5 un autre régime se développe : l'interface se déforme en dômes suivant un mouvement oscillatoire. Ces dômes chauds, donc plus légers, s'élèvent jusqu'à la surface, s'y refroidissent, et replongent voir figures. Jusqu'à cinq de ces cycles ont été observés avant que toute la cuve devienne homogène. Localement, les dômes peuvent aussi être couronnés de petits panaches chauds : un modèle réduit des grands bombements terrestres ! Un cycle dure entre vingt minutes et deux heures, soit à l'échelle de la Terre, entre cent millions et un milliard d'années.
La forme de convection thermochimique dépend également de la position à laquelle se trouve l'interface, car les propriétés physiques des roches évoluent avec la profondeur. Un même contraste de densité peut aussi bien entraîner un régime en dômes s'il se situe au milieu du manteau qu'un régime stratifié s'il est proche de la base du manteau. Ce travail fournit ainsi la première explication à la coexistence des différentes formes de volcanisme intraplaque. Précisons ici qu'une telle expérience est un travail de longue haleine : il faut en effet au moins trois ou quatre ans pour la développer avant d'obtenir des résultats, un investissement difficile pour un chercheur.
Outre l'image du régime actuel de convection du manteau terrestre, cette modélisation révèle aussi comment ce régime a pu évoluer dans le temps. Compte tenu des observations géochimiques qui indiquent la persistance aujourd'hui d'au moins deux réservoirs distincts, le régime en dômes ne peut pas avoir existé tout au long de l'histoire de la Terre. La convection terrestre aurait donc évolué d'un régime stratifié, il y a quelque quatre milliards d'années, au régime en dômes générant aujourd'hui à la fois superbombements et points chauds. Les deux exemples actuels de bombements correspondraient à deux stades différents du cycle : sous le sud-ouest de l'Afrique, le dôme en serait à son tout premier stade, tandis que sous la Polynésie il aurait déjà connu un cycle entier.
De réservoirs bien horizontaux, on serait ainsi passé à une géométrie beaucoup plus compliquée, avec une interface pouvant parfois s'élever de la couche D", la zone qui sépare le noyau du manteau à quelque 2 900 kilomètres sous nos pieds, à la surface. Dans ce contexte, les points chauds, générés à une interface, pourraient très bien avoir deux origines spatiales différentes : la couche D'' comme on le pensait déjà5, mais aussi la zone de dômes.
Bien évidemment, le système expérimental reste très simp