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La convection mantellique, moteur de la tectonique des plaques, si souvent évoq

La convection mantellique, moteur de la tectonique des plaques, si souvent évoquée, si souvent mal comprise Pierre Thomas Laboratoire de Sciences de la Terre, ENS de Lyon Olivier Dequincey 06/04/2010 Résumé Le manteau : convection thermique et liens avec la tectonique des plaques. Table des matières  Un peu d'histoire  La physique de la convection  La convection "théorique" dans le manteau  Confrontation entre les données et le modèle dans lequel les subductions sont actives et les dorsales passives o Dorsales et poussée o Mécanismes au foyer aussi en extension o Vitesse des plaques o Anomalies thermiques o Conclusion  Un modèle global de la convection mantellique  Des questions en guise de conclusion Avertissement : Cet article d'introduction générale sur le manteau, ainsi que ceux, plus spécialisés, de Stéphane Labrosse (frontière noyau-manteau) et d'Éric Debayle et Yanick Ricard (zone de transition), correspondent à trois « brouillons » d'articles demandés par "Pour la Science" pour son Dossier Pour la Science n°67, avril-juin 20110, consacré à « la Terre à coeur ouvert ». Ces chapitres ont été demandés avec un volume de 25 000 signes, alors que les « brouillons », ou versions initiales, était plus longs. Le premier jet de ce premier texte, en particulier, faisait 35 000 signes et 10 figures, et était plus complet que les 25 000 signes + 8 figures envoyés après une première "auto-simplification locale". Les textes soumis, sont ensuite retravaillés pour coller au format et au style Pour la Science : réécriture de paragraphes, ajouts d'un côté, simplifications de l'autre, travail des figures... Les 3 articles publiés sur Planet-Terre sont donc des versions différentes à partir des mêmes sources, différentes du fait de contraintes éditoriales différentes. Ce dossier spécial « Terre » comprendra plus d'une vingtaine d'articles, de la croûte au noyau, dont une dizaine consacrés au manteau et aux volcans. Nous ne saurions que trop vous conseiller de lire ce numéro spécial. Un peu d'histoire En 1968, la synthèse de données géophysiques et géologiques variées a conduit au modèle dit de la tectonique des plaques . Il décrit la surface de la Terre comme divisée en une douzaine de plaques, fragments de lithosphère d'une centaine de kilomètres d'épaisseur, mobiles les uns par rapport aux autres et par rapport à l'asthénosphère sous-jacente. Ce modèle proposé par des géophysiciens a été assez vite adopté par l'ensemble de la communauté, des journalistes scientifiques aux vulgarisateurs, des géographes aux géologues de terrains. Mais à l'époque, beaucoup de ces catégories ont eu du mal à comprendre la physique qu'il y a derrière cette tectonique des plaques, et en ont proposé des représentations fausses. Quarante ans plus tard, ces représentations se trouvent encore dans certains manuels, ouvrages de vulgarisation… La première représentation fausse est celle de plaques solides dérivant sur un manteau liquide bien qu'on sache depuis le début du XXe siècle que les 2900 premiers kilomètres de la Terre sont solides et fait d'une roche cristallisée : la péridotite. Figure 1. Échantillon de péridotite, en enclave dans un basalte du Massif Central Droits réservés - © 2010 Pierre Thomas Contrairement à ce que pensent encore certains, le manteau terrestre, situé entre la base de la croûte et 2900 km de profondeur, n'est pas fait de roche fondue (ou magma) mais d'une roche verte, solide, cristallisée, appelée péridotite. Dans les 400 km les plus superficiels, le principal minéral du manteau est l'olivine [= Mg1,8-Fe0,2 SiO4], appelé ainsi à cause de sa couleur verte. S'y rajoutent des pyroxènes [= Mg0,6-Fe0,1-Ca0,3SiO3], et un minéral alumineux (plagioclase = CaAl2Si2O8 au-dessus de 20 km ; spinelle = MgAl2O4 entre 20 et 75 km ; grenat alumineux = (Ca-Fe)3Al2Si3O12 en dessous de 75 km). En dessous de 400 km, l'olivine se transforme en deux polymorphes : wadsleyite, puis ringwoodite (même formule que l'olivine). Puis, en dessous de 670 km, la ringwoodite se transforme en deux minéraux : le périclase (encore appelé magnésiowustite) = MgO et la perowskite = MgSiO3. Une deuxième représentation fausse intègre la notion de manteau solide, mais privilégie le rôle des dorsales. Sous les dorsales, il y a production de magma (par un mécanisme en général passé sous silence). Ce magma s'injecterait dans la lithosphère, et, avec ses petits bras musclés, écarterait de force les plaques situées de part et d'autre. Et comme la Terre n'augmente pas de volume, il fallait bien que les plaques disparaissent quelque part : les zones de subduction. Une troisième représentation fausse fait intervenir une mauvaise notion de la convection. Des mouvements profonds de l'asthénosphère située sous les plaques déplaceraient ces plaques lithosphériques, un peu comme des moteurs et des roues dentées déplacent un tapis roulant situé juste au-dessus des engrenages. Le mot de convection est lancé, et repris par beaucoup, qui n'ont pas idée de ce qu'est physiquement la convection. La physique de la convection Dans un corps opaque supposé non déformable , la chaleur se transmet par conduction . Les atomes des zones chaudes vibrent plus que les atomes des zones froides. Ces vibrations se transmettent de proche en proche des parties chaudes vers les froides ; il n'y a pas de mouvement macroscopique de matière. C'est ce qui se passe quand on pose une brique froide sur une plaque chauffante. Mais que se passe-t-il dans un corps déformable, l'eau d'une casserole par exemple ? Un corps se dilate quand sa température augmente et sa masse volumique devient plus faible. Si un corps est refroidi par le bas et chauffé par le haut (casserole d'eau chaude posée sur un tapis de glace), les zones denses seront en bas, les régions peu denses en haut. C'est une situation stable, qui n'engendrera aucun mouvement. Si par contre un corps est chauffé par le bas et refroidi par le haut (casserole d'eau froide posée sur un plaque chauffante), les zones denses seront en haut, et les légères en bas. Alors la matière froide du haut aura tendance à descendre et la matière chaude et un peu moins dense du bas aura tendance à monter. C'est la convection thermique. uploads/Geographie/ 3-la-convection-mantellique.pdf