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L'énigme de l'hélium 3 : une clé pour comprendre la Terre !

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Des études géochimiques basées sur l'abondance de l'hélium 3 dans les laves conduisaient depuis longtemps à un paradoxe. Elles impliquaient aussi une seule zone de convection dans le manteau de la Terre. D'après une récente publication de Nature, il n'y aurait ni paradoxe ni une unique zone convective.

Une arche de lave au Pu'u O'o sur le Kilauea à Hawaï. Crédit : U. S. Geological Survey Jim Griggs

L'énigme à laquelle Helge Gonnermann, de l'Université de Hawaï, et Sujoy Mukhopadhyay de l'Université de Harvard, se sont attaqués est ancienne. Pour la comprendre, il faut remonter au tout début de l'histoire de notre planète.

Lorsque notre Terre s'est formée par accrétion de météorites et de planétésimaux, elle a piégé en son sein un mélange d'hélium 4 et de son isotope l'hélium 3. Lorsque le manteau de la Terre s'est mis à subir des mouvements de convection et qu'un important volcanisme de surface en liaison avec ces mouvements s'est mis en place, le manteau terrestre a subi un processus de dégazage l'ayant appauvri aussi bien en hélium 3 qu'en hélium 4. Toutefois, la désintégration des éléments radioactifs du manteau supérieur a contribué à maintenir un niveau élevé d'hélium 4 dans celui-ci.

Deux grands types de laves basaltiques

Il y a essentiellement deux types de laves basaltiques crachées par les volcans.

Le premier, et de loin le plus important, est celui correspondant aux laves s'épanchant au niveau des dorsales médio-océaniques. On les appelle des MORB pour Mid-Ocean Ridge Basalts en anglais. Ces laves proviennent de la fusion partielle du manteau supérieur à faible profondeur, environ 20 km. Elles prendraient toutefois naissance un peu plus en profondeur, à 80 km environ, suite à la remontée d'un diapir, un panache de roches chaudes mais solides comme l'est la glace d'un glacier en mouvement.

Le second est celui des laves très fluides et chaudes faisant éruption au niveau des points chauds que sont par exemple les îles d'Hawaï et l'Islande. On les appelle des OIB pour Ocean-Island Basalts en anglais. Leur origine est différente puisqu'elles prendraient naissance à au moins 700 km de profondeur et plus probablement à la base du manteau inférieur,  à plus de 2.500 km de profondeur. 

Fontaine de lave du Pu'u O'o sur le Kilauea à Hawaï. Le basalte émis fait partie des OIB. Crédit : U. S. Geological Survey Jim Griggs

Si l'on suppose que seul le manteau supérieur est brassé depuis des milliards d'années par des cellules de convection, comme celles que l'on peut observer en jetant des grains de riz dans de l'eau chauffée dans une casserole, alors, celui-ci sera bien appauvri en hélium 3 . En revanche, le manteau inférieur, lui, aura gardé l'essentiel de son hélium 3. Si on compare le rapport isotopique 3He / 4He des MORB et des OIB, ces derniers devraient avoir le rapport le plus élevé et c'est bien ce que l'on constate.

A première vue, cela prouve donc bien que seul le manteau supérieur est animé de mouvements de convection. Sauf que  la concentration en hélium 3 est plus faible dans le manteau inférieur !

Celui-ci étant moins riche en éléments radioactifs que le manteau supérieur la concentration en hélium 4 est aussi moins élevée. D'un côté, il y a donc preuve d'un dégazage du manteau inférieur ,et donc d'un brassage de celui-ci le mélangeant avec le manteau supérieur, et de l'autre non.

Les données sismologiques tendent de plus à prouver que tout le manteau est en convection On est donc conduit soit à introduire un manteau complet en convection, soit à subdiviser celui-ci en deux zones convectives plus ou moins en connexion. Malgré tout, la situation reste paradoxale.

Le manteau, une ou deux zones de convection ? Crédit : université de Montpellier

La clé de l'énigme

Gonnermann et  Mukhopadhyay se sont alors souvenu d'une donnée importante : l'analyse géochimique des OIB indique qu'ils proviennent de la fusion de roches riches en CO2, plus riches que celles donnant lieu aux MORB. En effectuant une série de calculs analytiques et numériques, ils ont alors réussi à modéliser le phénomène suivant.

De même que déboucher une bouteille de soda provoque l'apparition de bulles de gaz, de même la décompression des roches issues du manteau inférieur a provoqué aussi bien la formation de bulles de CO2 que d'3He et, compte tenu des conditions de température et de pression, l'3He se serait mélangé au CO2 lors des éruptions en surface, provoquant ainsi une diminution de l'3He contenu dans les OIB échantillonnés.

Au final, les deux chercheurs en déduisent bien que le manteau inférieur n'aurait pas subi un dégazage important : il n'y aurait donc pas de paradoxe de l'hélium. Reste le problème des données sismologiques plutôt fortement favorables à un manteau en convection avec une unique couche. Il semble donc qu'il faille soit revoir la question, soit se tourner vers la théorie avec plusieurs couches convectives dans le manteau mais ne se mélangeant pas ou peu. Affaire à suivre !

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