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L'énigme des restes du manteau primitif de la Terre est peut-être résolue

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C'est peut-être le début de la fin d'un vieux conflit entre géochimistes et sismologues. De nouvelles simulations sur la convection thermochimique à l'intérieur de la Terre indiquent que des vestiges du manteau primitif peuvent exister à sa base tout en étant suffisamment instables pour alimenter les volcans formant certaines îles basaltiques.

Champs de compositions (gauche) et de température (droite) pour deux modèles de convection thermochimique. Les modèles de convection peuvent aujourd'hui incorporer les anomalies de densité d'origine chimique et tester des scénarios « thermochimiques » pour l'évolution de la Terre profonde. Si les contrastes de densité et de viscosité entre le manteau supérieur et le manteau inférieur sont importants (haut de la figure), la convection engendre des dômes confinés dans les profondeurs du manteau. Ces dômes sont stables à l'échelle des temps géologiques, mais leur matériel ne peut pas être entraîné par les panaches mantelliques et ils ne peuvent pas expliquer les caractéristiques géochimiques des laves de points chauds. Pour des valeurs plus raisonnables des contrastes de densité entre les deux manteaux (bas de la figure), la convection donne naissance à des « mares » plus étalées dans le manteau profond, qui bien que stables, donnent naissance à des panaches bien visibles sur l'image. Ces derniers remontent à travers le manteau profond, s'étalent sous la limite entre les deux manteaux, puis remontent jusqu'à la surface de la Terre où ils peuvent donc expliquer la chimie des laves de points chauds. © Deschamps et al. 2011

On sait que la tectonique des plaques a démarré assez tôt dans l'histoire de notre planète et c'est elle qui fait de la Terre une planète vivante, selon le titre d'un excellent ouvrage de Maurice et Katia Krafft qui nous ont quittés il y a vingt ans cette année. Si l'on connaît assez bien dans les grandes lignes les mécanismes impliqués dans la dérive des continents et responsables de l'expansion océanique au niveau des rifts, comme celui de l'Afar exploré par Haroun Tazieff et ses collègues, il reste de nombreuses zones d'ombre en ce qui concerne plusieurs questions liées à la géochimie et à la géophysique de la Terre lorsque l'on cherche des réponses précises.

Ainsi, depuis longtemps, les géochimistes analysant les basaltes récents des îles océaniques y ont-ils souvent trouvé des signatures indiquant que ces laves refroidies provenaient d'un magma résultant de la fusion partielle d'un manteau très primitif. Or, on a de bonnes raisons de penser que le manteau supérieur de la Terre a subi un dégazage et ne peut donc pas ressembler au manteau initial de la planète d'un point de vue géochimique, juste après sa différentiation.

Cela ne serait pas problématique si les géophysiciens n'avaient pas des preuves convaincantes que le manteau est le siège d'une convection générale très ancienne, avec des plaques tectoniques subductées plongeant profondément dans les entrailles de la planète. En clair, la convection régnant dans le manteau doit le rendre homogène, en contradiction avec les données des basaltes des volcans océaniques.


Lors de l'expédition en Polynésie française, les plongeurs de l'équipe Cousteau partent à la découverte du mont Mac Donald, Tamari en polynésien, un volcan sous-marin de l'archipel des îles Australes. Les laves émises durant ses éruptions proviennent du point chaud qui a donné naissance aux îles Australes. Les plongeurs de la Calypso découvrent une cheminée du volcan et assistent aux premières manifestations d'une violente éruption qui éclatera trois jours plus tard. © Cousteau Society 2010, YouTube

Cette énigme trouble depuis longtemps la communauté des géologues et plusieurs tentatives pour la résoudre ont été proposées. La dernière provient d'un article publié dans Nature Geosciences par une équipe de chercheurs suisses de l'Institut fédéral de technologie de Zurich et français de l'Institut de physique du Globe de Paris (CNRS, université Paris Diderot).

Une convection thermochimique expliquant des points chauds

Les chercheurs ont fait tourner sur un ordinateur une simulation numérique 3D réaliste de l'intérieur de la Terre prenant en compte l'effet dynamique des anomalies de densité (liées au gradient de température du manteau et celles liées à la composition chimique) ainsi que le changement de phase entre le manteau supérieur et le manteau inférieur.

Selon les paramètres régissant la convection thermochimique du manteau, sa stabilité et sa composition chimique ne sont pas les mêmes. En particulier, il existe un jeu de ces paramètres qui autorisent la persistance à la base du manteau de zones dont la composition chimique reste celle du manteau primitif et qui ne participent pas à la convection générale du manteau actuel de la Terre.

Toutefois, contrairement à la situation décrite par un autre jeu de paramètres, ces réservoirs denses de matière primitive ne sont pas complètement stables. Ce qui veut dire que des panaches mantelliques peuvent parfois s'y former et remonter vers la croûte pour donner naissance à un volcanisme de point chaud.

Quantitativement, la simulation de l'équipe franco-suisse produit un spectre d'anomalies de densité chimique et thermique en très bon accord avec les observations sismologiques, les observations des géophysiciens et des géochimistes sont donc complètement conciliées dans ce modèle.

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