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Exploration du manteau supérieur avec le JOIDES Resolution

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
 

Lorsque l'extension de la lithosphère se prolonge, elle aboutit à la rupture continentale et à une importante fusion partielle du manteau supérieur ascendant. Alors, une croûte océanique basaltique se forme, qui, généralement, recouvre entièrement le manteau sous-jacent. C'est pourquoi les zones profondes des marges continentales sont généralement mal connues, d'autant qu'au fil des temps, elles sont recouvertes par d'épais sédiments

Explorer les océans. © Seaphotoart, CCO

Entre Portugal et océan Atlantique, la marge de Galice est une exception. Soulevée au cours de la formation des Pyrénées, elle a été nettoyée de ses sédiments récents par l'érosion. Des formations profondes y affleurent et, de ce fait, cette marge est l'objet d'études approfondies depuis plus de quarante ans.

Ce schéma représente le processus de formation d’un rift, à l’origine de l’océanisation. L’extension progressive de la lithosphère conduit à la rupture continentale. © D’après Gilbert Boillot, 2003

Entre Portugal et océan Atlantique, la marge de Galice est une exception. Soulevée au cours de la formation des Pyrénées, elle a été nettoyée de ses sédiments récents par l'érosion. Des formations profondes y affleurent et, de ce fait, cette marge est l'objet d'études approfondies depuis plus de quarante ans.

La colline 5100 de la marge de la Galice sera un lieu d’exploration privilégié, pour le Noroit et le JOIDES Resolution. © DR

La marge de Galice : une ride entre continent et océan

En 1978, Gilbert Boillot effectue, avec le Noroit de l'Ifremer, une campagne de sismique par réflexion, sur la marge de Galice, sur des fonds de 5.000 m, situés à 300 km de la côte ibérique. La sismique par réflexion (sismique réflexion), technique héritée de l'industrie pétrolière, est fondée sur l'émission de puissantes ondes sonores et sur l'enregistrement de leurs échos. Elle permet de mettre en évidence les structures inaccessibles, en dessous du fond marin. L'objectif de cette campagne est d'apporter de nouvelles données sur un relief allongé (appelé ride), situé sous les sédiments récents, et qui court du nord au sud, au pied du talus continental du banc de Galice (voir carte ci-dessus).

Le principe de la technique de sismique réflexion est le suivant : les ondes émises par la source sismique sont réfléchies et réfractées, puis reçues par les hydrophones. Le traitement des signaux permet de restituer la structure du fond. © Extrait de Kornprobst et Laverne, QUAE éditions, 2011

Les investigations du Noroit confirment les observations réalisées par Lucien Montadert sur le navire scientifique La Florence de l'Institut français du pétrole (IFP). La ride, submergée au nord par des sédiments, émerge au sud. Elle forme ainsi un petit relief qui domine de 200 mètres la plaine abyssale : la colline 5100 ! Cette dernière constitue une occasion privilégiée de connaître la nature des matériaux qui constituent cette ride. Gilbert Boillot décide alors de tenter un dragage avec le Noroit.

La colline 5100 : un beau coup de drague

La drague croche en plein sur la colline et remonte une boue collante. Déception ? Non finalement !

Ce profil de sismique réflexion, tiré par La Florence de l’IFP, fait apparaître l’émergence de la ride au-dessus du fond marin. © D’après Lucien Montadert, 1977
Un bel échantillonnage de boue et de roches rapportées de la colline 5100. © Extrait de Kornprobst et Laverne, QUAE éditions, 2011

Jacques Kornprobst identifie dans la boue rapportée de la colline 5100 tous les éléments d'une péridotite à plagioclase, qu'il attribue au manteau supérieur sous-continental. La ride est-elle une unité mantellique de basse pression ? S'agit-il de la lithosphère continentale effilée durant  l'extension, ou bien de la nouvelle lithosphère atlantique ? Autant de questions, auxquelles pourra répondre l'exploration avec le JOIDES Resolution.

Le JOIDES Resolution sur la colline 5100

Grâce aux importants résultats obtenus avec le Noroit, Gilbert Boillot obtient un forage ODP (Ocean Drilling Program) sur la colline 5100. Ce dernier a lieu du 28 avril au 4 mai 1985 : c'est le puits 637A du leg 103, foré par le JOIDES Resolution. Gilbert Boillot et Jacques Girardeau étaient à bord.

À gauche, le JOIDES Resolution en mer, est en station et prêt à forer. © John Beck, IODP-TAMU. À droite le « log » du forage 637A. Les zones en blanc sont des portions non carottées. © D’après Boillot, Winterer et al., 1987

Le puits est foré à 5 milles au nord de la colline 5100, par plus de 5.000 m d'eau. Il traverse 180 m de sédiments de périodes récentes : 100 m de Pléistocène, 60 m de Pliocène et 20 m de Miocène supérieur. Puis, il passe par une trentaine de mètres d'argiles contenant des fragments de serpentine. À 212 m sous le fond, il entre dans la ride elle-même qu'il va forer jusqu'à 278 m : 36 m de carottes sont récupérées. Ces carottes sont constituées de péridotites plus ou moins serpentinisées. C'est peu mais c'est beaucoup mieux que la boue du dragage récupérée avec le Noroit.

Le JOIDES Resolution reviendra sur les lieux en 1993, au cours du leg 149. Les puits 897, 899 et 900 fourniront de nouvelles moissons d'échantillons.

Le manteau supérieur est bien là !

L'étude des échantillons du site 637, confirme et précise l'interprétation proposée après le dragage : la colline 5100 constitue bien un affleurement de manteau supérieur au pied du talus continental de la marge de Galice.

Cynthia Evans et Jacques Girardeau apportent des données nouvelles sur les déformations et les recristallisations subies par les péridotites au cours de leur mise en place, tandis que Jacques Kornprobst se focalise sur l'apparition du plagioclase (feldspath calco-sodique), témoin de la décompression au cours de la remontée vers la surface.

Ci-dessus, une péridotite affectée par une déformation schisteuse qui étire de grands cristaux de pyroxène (gris), au cours des dernières phases de mise en place. Hauteur réelle de la photo : 3 cm. © Jacques Kornprobst
On observe la résorption du spinelle (Sp), en réponse à une réaction de décompression qui implique l’apparition du plagioclase (Pl). Longueur réelle de la photo : 2 mm. © Jacques Kornprobst

Sur la base de la composition de leurs minéraux (notamment des pyroxènes), Jacques Kornprobst  considère que ces roches appartiennent au biseau continental et non à la nouvelle lithosphère océanique, beaucoup moins riche en divers éléments (Ca, Al, Na, par exemple). Ceci vient confirmer que la colline 5100 est située en plein sur la transition continent-océan.