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La stabilité des points chauds du manteau terrestre enfin expliquée ?

Les îles Hawaï et l’Islande sont ordinairement expliquées par la remontée de longs et minces panaches de matière chaude dans le manteau, perçant la croûte terrestre. La formation, et surtout la stabilité de ces panaches dans un manteau en convection, ne sont pas aussi bien comprises qu’on le voudrait. Deux géophysiciennes américaines proposent une explication mathématique.

Wendy Zhang et Laura Schmidt discutant de la formation des panaches dans le manteau. Crédit : Dan Dry

Wendy Zhang et Laura Schmidt discutant de la formation des panaches dans le manteau. Crédit : Dan Dry

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Bien qu’on l’enseigne souvent comme un fait établi, la présence de panaches dans le manteau terrestre expliquant les points chauds que sont, par exemple, les îles d’Islande et de La Réunion, ne va pas complètement de soi. Aussi, les chercheurs essayent d’en savoir un peu plus...

Depuis des dizaines d’années, outre des approches analytiques et numériques basées sur les équations de Navier-Stokes pour les fluides et de Fourier pour la chaleur, les chercheurs réalisent de simples expériences analogiques avec des fluides chauffés afin d’observer et de simuler en laboratoire les phénomènes hydrodynamiques et thermiques complexes qui doivent avoir lieu dans le manteau terrestre.

En France, les travaux de la géophysicienne Anne Davaille sur ce sujet sont assez connus, et l’on peut trouver sur le site SagaScience du CNRS une série de vidéos et d’explications sur des expériences faciles à réaliser, mais illuminantes, pour se représenter les phénomènes de convection et les instabilités mécaniques et thermiques dans le manteau. Chez soi, on peut facilement créer un panache avec du sirop et de l'huile...

 Une couche de sirop de menthe surmontée par une couche d'huile alimentaire : un chauffage basal fait naître un panache in vitro ! Crédit : CNRS-C. Sabouraud
 Une couche de sirop de menthe surmontée par une couche d'huile alimentaire : un chauffage basal fait naître un panache in vitro ! Crédit : CNRS-C. Sabouraud

Le problème de la stabilité des panaches

C’est justement en étudiant les simulations de Anne Davaille que deux géophysiciennes de l’Université de Chicago ont trouvé une inspiration pour tenter de résoudre un problème de la théorie des panaches. Pour expliquer les îles d’Hawaï, cette théorie stipule que le panache lui-même reste fixe pendant une longue période de temps géologique, tandis que la plaque océanique pacifique se déplace, entraînée par les courants de convection. En fait, il s’agit plutôt d’une série de remontées de panaches de matière chaude qui perceraient alors à plusieurs reprises la plaque pacifique, à différentes époques, donnant lieu ainsi au chapelet des îles Hawaï.

Mais cette hypothèse impose des panaches restant sagement immobiles durant une longue période, un scénario qui s'accommode mal d'un manteau en convection perpétuelle, un phénomène d'ailleurs toujours mal compris.

Or, dans les expériences d’Anne Davaille basées sur deux couches de liquides colorés de différentes densités, censées reproduire des discontinuité physico-chimiques du manteau terrestre, Wendy Zhang et son étudiante Laura Schmidt ont été intriguées par un phénomène noté par la géophysicienne française : la présence de filaments ressemblant à des vrilles et qui restaient remarquablement stables en position pendant des heures dans les liquides animés de mouvements de convection et de mélange.

Le long de ces filaments, des courants de matière ascendants se forment mais les filaments eux-mêmes semblent causés par la remontée de l’interface entre les deux liquides. Dans une publication, Zhang et Schmidt proposent un modèle mathématique qui reproduit bien les observations de Anne Davaille. Il est donc possible que la remarquable stabilité des points chauds trouve ici une explication.

Les équations que les deux scientifiques ont proposées ne sont pas susceptibles de s’appliquer uniquement à des phénomènes du manteau terrestre. On peut en effet les retrouver dans des domaines aussi variés que l’extraction du pétrole, l’industrie chimique et même dans certaines applications de biotechnologie.


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