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Comprendre le manteau supérieur grâce au volcanisme

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
 

Les péridotites sont des roches métamorphiques, résultant de fortes déformations dans le manteau supérieur. Présentes dans certains basaltes en surface, elles témoignent de la dynamique active du manteau.

Plongée au coeur des volcans. © Skeeze, CCO

Certains basaltes contiennent, parfois en grande abondance, des enclaves souvent anguleuses de roches vertes. Il s'agit de péridotites, constituées principalement d'olivine (ou péridot) et de pyroxènes. Leur densité est de 3,3 g/cm3. Ces roches ressemblent beaucoup aux météorites pierreuses ; c'est pourquoi Clarence Ross a suggéré, en 1954, qu'il s'agisse de fragments arrachés au manteau supérieur et transportés par les laves jusqu'à la surface.

Les péridotites : enclaves de manteau supérieur dans les basaltes

Ci-dessus, on remarque des enclaves de péridotites issues du manteau supérieur, dans les basaltes de Sauterre (Puy-de-Dôme). © Jacques Kornprobst

Ces péridotites contiennent généralement du spinelle (Mg,Fe)(Al,Cr)2O4. Elles ont cristallisé sous des pressions relativement faibles, de 1 à 1,5 gigapascal (GPa), et proviennent donc de régions peu profondes du manteau supérieur (40 à 50 km), situées immédiatement sous la croûte continentale. Plus rarement, on rencontre des péridotites à grenat (Mg,Fe,Ca)3Al2Si3O12, qui témoignent de pressions de cristallisation plus élevées (supérieures à 1,5 Gpa) et sont donc issues de profondeurs plus grandes (au-delà de 70 km).

Des assemblages « solides » : les roches métamorphiques

Les arrangements mutuels des cristaux qui constituent les péridotites du manteau supérieur, sont typiques de matériaux ayant cristallisé à l'état solide. Il ne s'agit donc pas de roches ignées ou plutoniques, mais de roches dites métamorphiques. Ces dernières ont parfois été fortement déformées. Le manteau supérieur est donc le siège de mouvements tectoniques, qui témoignent d'une dynamique active de cette couche.

Ci-dessus, une péridotite d’Hawaï, où les « joints triples » entre les grains, typiques des roches cristallisées à l’état solide sont visibles. L’image est obtenue à partir d’une lame mince (3/100 de mm d’épaisseur ; 3 X 2 cm) observée en lumière polarisée analysée (LPA). © Françoise Boudier
Sur cette lame mince de péridotite du Massif central, observée en LPA, on remarque les « bandes de pliage » dans les gros cristaux, et la recristallisation de ces derniers en éléments beaucoup plus fins. © Françoise Boudier

Le manteau étant une unité entièrement solide, la question se pose de savoir d'où viennent les basaltes qui portent les enclaves de péridotites ? Ils ne peuvent pas venir du noyau externe, certes liquide mais entièrement métallique. Les études expérimentales et théoriques indiquent que la formation des basaltes résulte d'une fusion locale et partielle du manteau supérieur, liée à une décompression et/ou à un flux gazeux (vapeur d'eau ou gaz carbonique). La fusion partielle du manteau se produit principalement au niveau des dorsales océaniques (zone de décompression) et des zones de subduction (processus d'hydratation). Les domaines où la fusion partielle est active ne représentent qu'un volume très restreint de l'ensemble du manteau supérieur.