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Dossier - Géologie : plongée dans le manteau supérieur
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Le manteau supérieur de la Terre est le théâtre de phénomènes magmatiques et de transformations rocheuses passionnants. Il est un objet d'étude privilégié pour comprendre la composition de la planète. Dans ce dossier, les scientifiques vous entraînent à bord de leurs navires, pour une plongée au cœur du manteau.

  
DossiersGéologie : plongée dans le manteau supérieur
 

S'il n'est pas possible d'observer le noyau et les couches profondes de la Terre, plusieurs indices nous aident à connaître la structure de notre planète. À ce titre, les météorites et l'étude de la densité des matériaux sont précieuses.

Météorite dans la ceinture de Kuiper. © NASA, CCO

À la suite de l'évaluation de la densité moyenne de la Terre (5,48 g/cm3) par Henry Cavendish en 1798, Edouard Roche imagine, en 1881, que le globe terrestre est constitué de coquilles emboitées de densité croissante, de la surface vers le centre. Selon lui, un cœur dense, « analogue aux fers météoritiques » (le noyau), serait ainsi entouré d'une enveloppe « comparable aux aérolithes de nature pierreuse » (le manteau), elle-même recouverte par la croûte granitique.

Les enseignements venus du ciel : les météorites

Ce fragment de 500 kg de la météorite métallique (fer et nickel) de Tamentit, donne une idée de la composition du noyau de la Terre. Cette météorite découverte en Algérie au XIXe siècle, est maintenant exposée à Vulcania. © Jacques Kornprobst
La météorite pierreuse (ou chondrite) de High Possil en Écosse, serait représentative de la constitution du manteau, selon Edouard Roche. Le fragment ci-dessus pèse 151 g. L’assemblage, constitué d’olivine et de pyroxènes (teintes vertes), est entouré d’une croûte noire, verre résultant de la fusion de la surface de l’aérolithe lors de son entrée dans l’atmosphère. © The Hunterian, université de Glasgow, 2012
Ci-dessus, on observe une lame de 109,7 g., extraite de la pallasite d’Imilac, une météorite découverte en 1822 dans le désert d’Atacama au Chili. Les cristaux d’olivine sont transparents tandis que l’alliage de fer et de nickel, totalement opaque, présente des reflets gris-bleuté. © Michael Farmer, meteorite hunter, 2012

Certaines météorites appelées lithosidérites (incluant les pallasites), ont des caractéristiques intermédiaires, entre celles des « fers » et celles des « pierres ». Elles sont constituées de cristaux d’olivine dispersés dans un agrégat métallique. Probablement issues de petites planètes pulvérisées par des collisions, les pallasites ont parfois été considérées comme l'image d'une transition entre manteau et noyau terrestre.

Structure du globe terrestre : du noyau à la croûte

La conception d'Edouard Roche sur la constitution de la terre, a été validée et affinée par plus d'un siècle d'étude de la propagation des ondes générées par les tremblements de terre. Andrija Mohorovicic, en 1909, définit la limite croûte-manteau. Puis, en 1914, Beno Gutenberg détermine les frontières du manteau silicaté dont la densité (d) est comprise entre 3,3 et 5,5 g/cm3, et du noyau métallique (10 3).

Ci-dessus, une représentation de la structure sismique du globe terrestre. © Modifié par Jacques Kornprobst et Christine Laverne, BRGM et G&B édition, 2002

En 1936, Inge Lehmann et Keith Bullen montrent que le noyau est constitué d'une graine solide, entourée d'une enveloppe liquide dans laquelle les ondes de cisaillement (ou ondes sismiques secondaires), ne se propagent pas. Une « zone de transition » existe entre 410 et 670 km de profondeur, entre manteau supérieur et manteau inférieur : elle est le lieu de transformations minéralogiques liées à l'augmentation progressive de la pression. Il faut noter que le manteau est entièrement solide ; sa partie supérieure, la lithosphère qui englobe aussi la croûte, est rigide et constitue les plaques lithosphériques.

Le noyau est inaccessible. Mais plusieurs processus permettent à des fragments du manteau supérieur d'arriver jusqu'à la surface. L'étude de leurs mécanismes de mise en place est un élément majeur de compréhension de la dynamique du globe terrestre