L’architecture convective du manteau terrestre est encore mal connue. © TuMeggy, Adobe Stock
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Fluage à l’état solide, ou les principes de la convection mantellique

Question/RéponseClassé sous :convection mantellique , asthénosphère , déformation
 

La théorie de la tectonique des plaques repose sur le fait que la lithosphère rigide se déplace au-dessus d'un manteau asthénosphérique. Or, ces mouvements ne sont permis que grâce à la capacité du manteau à s'écouler et à assurer des mouvements de convection. Pourtant, cette enveloppe terrestre n'est pas liquide. Quels sont donc les mécanismes de déformation au sein des roches qui permettent au manteau asthénosphérique de fluer à l'état solide ?

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Sur de courtes périodes de temps, l'asthénosphère est considérée comme un solide élastique capable de restituer une partie de l'énergie qui lui est transmise. En revanche, sur de plus longues périodes, le manteau asthénosphérique montre une capacité de fluage et d'écoulement, bien qu'il ne soit pas liquide, autorisant des mouvements de convection.

Les mécanismes de la déformation ductile dans le manteau

La viscosité du manteau asthénosphérique permet en effet des vitesses de fluage lentes, de l'ordre de quelques centimètres par an. Le fluage plastique des roches du manteau supérieur est lié à la migration des dislocations au sein des cristaux d'olivines et de pyroxènes essentiellement. Il s'agit d'une déformation ductile et non cassante.

Dans la réalité, un cristal n'est jamais parfait. Un cristal parfait représente un modèle idéal dans lequel les atomes sont empilés de manière régulière suivant un modèle, une maille élémentaire, qui se répète à l'infini. Mais dans la nature, les cristaux présentent des défauts de différentes dimensions. La maille élémentaire ne se répète pas à l'identique. Ce sont ces défauts (présence d'impureté ou de lacunes) qui vont d'ailleurs donner certaines propriétés particulières au cristal (couleur, propriétés mécaniques...). Dans le cadre de la déformation plastique du manteau, ce sont les défauts linéaires, encore appelés dislocations, qui vont jouer un rôle. Ce sont des défauts de dimension 1, c'est-à-dire très petits en comparaison des dimensions du cristal. Il s'agit d'une discontinuité dans l'organisation de la structure cristalline.

Les contraintes et pressions appliquées sur les roches du manteau vont ainsi induire des modifications dans le réseau cristallin : il va y avoir un réarrangement de la position relative des atomes, grâce à la migration des dislocations au sein du réseau. La déformation va ainsi se propager de cristal en cristal, menant à une lente déformation de l'ensemble du manteau. Ce mécanisme est d'ailleurs favorisé par l'augmentation de la température, qui diminue la viscosité du manteau.

Exemple de dislocation au niveau du réseau cristallin. © Cdang, Wikimédia Commons

La convection mantellique

Grâce à ce comportement plastique, les manteaux supérieur et inférieur sont capables de se mettre en mouvement sous l'effet de forces relativement faibles, comme des différences de densité associées à des écarts de température. En effet, la température à la base du manteau n'est pas la même que celle dans le manteau supérieur. Ces écarts thermiques créent des mouvements de convection : la matière chaude remonte tandis que la matière froide descend. Cependant, ces mouvements ne peuvent se déclencher que si certains critères physiques sont respectés, regroupés sous le terme de nombre de Rayleigh. Ce nombre sans dimension prend en compte différents paramètres physiques du manteau, comme l'épaisseur, l'écart de température, la viscosité, la diffusivité thermique... Le mécanisme de convection ne peut débuter qu'au-delà d'une valeur critique du nombre de Rayleigh. Or, dans le manteau terrestre, cette valeur est dépassée.

La convection de matériel mantélique est un processus essentiel qui permet notamment de dissiper la chaleur interne de la Terre et de permettre le déplacement des plaques continentales sus-jacentes. Mais l'architecture convective du manteau est encore mal connue. Y a-t-il une ou plusieurs couches de convection ? D'un point de vue géochimique, le manteau inférieur et le manteau supérieur semblent représenter deux réservoirs bien séparés, chacun possédant son système convectif. Le manteau inférieur ne participerait donc pas à la convection superficielle, sauf au niveau des panaches mantelliques. Pourtant, à l'instar des points chauds, il apparaît que des passerelles existent entre les deux couches. En effet, les plaques plongeantes au niveau des fosses de subduction pourraient atteindre et traverser la limite des 670 kilomètres marquant l'interface entre le manteau supérieur et le manteau inférieur. Cette arrivée de matériel froid dans le manteau inférieur créerait des instabilités à l’origine des panaches et participerait au brassage à grande échelle du manteau.

La déformation de l'asthénosphère a donc lieu à l'échelle du réseau cristallin. La migration des dislocations au sein des cristaux d'olivine permet l'écoulement à l'état solide de la péridotite et l'initiation de gigantesques mouvements convectifs dans le manteau. Ces mouvements permettent le déplacement des plaques tectoniques mais également la création de panaches mantelliques donnant naissance aux points chauds.

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