Etudier le manteau terrestre sous toutes les coutures ? Une sacrée paire de manches ! Car cet « hénaurme » objet géologique, qui représente 85 % du volume de la planète, est inaccessible à l’observation directe, lui qui se cache entre la croûte et le noyau, de plusieurs dizaines de kilomètres à 2 900 kilomètres sous nos pieds. Pour autant, les chercheurs ne cessent d’en percer les mystères, grâce notamment au renfort d’une armée de « taupes » qui leur fournit quantité d’informations sur la répartition des densités du globe et la nature de ses constituants : les ondes sismiques, dont on a déjà vu l’intérêt pour l’étude du noyau.

Alors, que sait-on ? Que les entrailles de notre planète sont composées majoritairement de péridotite, une roche où domine un silicate riche en fer et en magnésium : l’olivine. Vers 400 kilomètres de profondeur, là où règnent des températures de l’ordre de 1 500 °C et des pressions d’environ 150 000 fois la pression atmosphérique, l’olivine se métamorphose en wadsleyite, puis en ringwoodite, deux autres silicates à la structure plus compacte. Au-delà de 660 kilomètres, sous l’effet de la hausse des pressions, nouvelle transformation, et place, pour l’essentiel, à un matériau encore plus dense, la pérovskite, qui représente à lui seul au moins 75 % des composants du manteau inférieur.
La tomographie sismique, en fournissant des images de l’intérieur de la Terre à la manière d’une radiographie, s’avère aussi un outil indispensable pour « comprendre ce que devient le matériel froid et hydraté qui s’enfonce dans le manteau et pour localiser le matériel chaud et pauvre en eau qui remonte des profondeurs », s’enthousiasme Éléonore Stutzmann, du département de sismologie de l’IPGP et directrice de l’observatoire Géoscope, un réseau de 29 stations sismiques réparties aux quatre coins du monde.
Pour connaître de mieux en mieux la structure du manteau, les chercheurs n’en continuent pas moins de se casser les dents sur un bloc d’énigmes pour l’heure insolubles. Exemples : quel rôle précis joue l’énigmatique couche D’’ dans les transferts de chaleur entre le noyau et le manteau ? S’agirait-il d’une zone où la pérovskite adopterait une structure encore plus compacte ? Quant à la répartition de l’eau (le manteau en stocke des quantités sensiblement égales à celles présentes dans les mers), on ignore toujours si ledit liquide est piégé dans des structures minérales particulières ou s’il circule librement.

Un solide en mouvement
Autre chapitre-clé : le comportement rhéologique du manteau, autrement dit, la façon dont celui-ci se déforme en permanence. « À notre échelle de temps, le manteau est tout ce qu’il y a de plus solide, rappelle Anne Davaille, de l’IPGP. Mais sur des durées très longues, on constate qu’il se comporte à la manière d’un corps pâteux et “coule” à raison de quelques centimètres par an. Exactement comme les vitraux des cathédrales qui s’affaissent inexorablement sous l’effet de la gravité. Bien entendu, plus la température du manteau augmente, moins il résiste à l’écoulement. » Résultat : ce mouvement de convection fait que le giron de la planète se refroidit doucement. En effet, les lents mouvements de masses rocheuses transportent sa chaleur vers la surface. Un système antisurchauffe bien plus rapide et plus efficace que la conduction, mécanisme plus traditionnel également en jeu dans le manteau. Sauf que « nous ne savons toujours pas à quel type précis de convection nous avons affaire, intervient Xavier Le Pichon, titulaire de la chaire de géodynamique au Collège de France. Nous nous demandons, en particulier, si le manteau est en convection dans son ensemble, s’il existe deux niveaux de convection indépendants (l’un dans le manteau supérieur, l’autre dans le manteau inférieur) ou encore s’il s’agit d’une convection tantôt à une couche, tantôt à deux couches. » Et les choses s’avèrent d’autant plus alambiquées que « certaines investigations sismologiques suggèrent l’existence additionnelle d’une convection en “superplumes” : d’énormes champignons de matière chaude et légère se formeraient à la limite manteau-noyau, sous le Pacifique et sous l’Afrique, et provoqueraient des remontées chaudes à partir de la couche D’’.»
Quoi qu’il en soit, qui dit convection dit tectonique des plaques et son cortège d’effets directs souvent destructeurs (formation des montagnes, séismes, éruptions volcaniques…). La surface du globe est aujourd’hui un patchwork d’une douzaine de calottes sphériques, entièrement océaniques, 100 % continentales ou mixtes. Les dorsales océaniques, où deux plaques s’écartent, courent sur 67 000 kilomètres et relâchent environ 90 % de tout le magma sortant du manteau. Une zone d’expansion autour de laquelle vrombit, là encore, un essaim de questions. « Nous ignorons, par exemple, la manière précise dont le jus magmatique “voyage” en remontant vers la surface, indique Mathilde Cannat, de l’IPGP et membre du projet Momar centré sur la dorsale Atlantique, au sud des Açores. Nous aimerions savoir s’il emprunte des chenaux et, si oui, quelles sont leurs dimensions. Par ailleurs, il nous reste à élucider la manière dont le magma se met en place sur le plancher océanique, la fréquence des éruptions, etc. »

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© S. Labanieh/LGCA

La montagne Pelée, sur l'île de la MArtinique. L'activité volcanique de l'arc des Antilles s'explique par un processus de subduction de plaques.

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Les zones de subduction constituent quant à elles « l’usine de différenciation » de la planète, le lieu où la lithosphère (les cent kilomètres d’épaisseur en surface constitués de la croûte et de la partie supérieure du manteau) s’enfouit continuellement dans le manteau pour s’y recycler. Un retour à l’expéditeur que Francis Albarède, professeur de géochimie à l’école normale supérieure de Lyon et membre du Laboratoire des sciences de la Terre¹, compare à « une nappe qui s’effondre au bord d’une table parce qu’elle est trop lourde. La partie la plus vieille – donc la plus épaisse – de la croûte (qui s’est formée à l’aplomb des dorsales par montée de lave basaltique) se plie et gagne les profondeurs de la Terre avec les sédiments qui la surmontent ». Voilà pour le principe. Reste à comprendre, entre autres, pourquoi certaines plaques s’enfoncent jusqu’à la base du manteau quand d’autres stagnent entre 400 et 670 kilomètres de profondeur, à quantifier le temps que met une plaque pour atteindre les tréfonds du manteau avant d’être brassée et réinjectée vers les couches supérieures, etc.

Une intense activité
Pour mieux cerner la dynamique des zones de subduction, Catherine Chauvel, du Laboratoire de géodynamique des chaînes alpines (LGCA)², se focalise sur l’arc des Antilles qui voit la plaque Atlantique disparaître sous la plaque Caraïbes, un chambardement responsable d’une intense activité volcanique (montagne Pelée, la Soufrière…) et sismique. Sachant que les roches volcaniques « enregistrent plus ou moins directement les processus actifs dans le “coin” du manteau – l’endroit où plonge la plaque – et les conditions régnant dans la plaque subductée, explique-t-elle, nous voulons notamment mesurer les échanges de matières rocheuses dans cette zone de subduction, modéliser les variations des types de roches volcaniques et de leur composition, et comprendre comment opèrent les transferts de fluides de la plaque plongeante vers le coin mantellique ».

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© Müller& al, 1993

Carte des âges du plancher océanique. La lithosphère la plus jeune est au niveau des dorsales dont elle est issue (en rouge), et la plus vieille (en bleu) au niveau des fosses de subduction où elle disparaît dans le manteau.

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Si zones d’expansion et zones de subduction génèrent un volcanisme dépendant directement de la tectonique des plaques, il n’en est pas de même pour un autre, baptisé « volcanisme de point chaud ». Il semble associé à la fameuse couche D’’ et joue le rôle de chalumeau sous les plaques en mouvement. Principe : de grands lambeaux de matière chaude, partis de la limite noyau-manteau, s’élèvent comme des montgolfières et s’étalent en produisant des bombements sous les plaques. La baisse de pression déclenche alors leur fusion partielle et la fabrication d’impressionnantes quantités de basalte. « La formation progressive de ces réservoirs permet la mise en place de millions de kilomètres cubes de “basaltes de plateau”, comme les traps du Deccan, en Inde³, le tout en un laps de temps très bref à l’échelle géologique (un million d’années), commente Pierre Schiano, directeur du Laboratoire « Magmas et volcan »⁴. Sur les continents, l’accentuation du bombement peut même aboutir à la rupture de la plaque et à l’ouverture d’un nouvel océan. » Un type de volcanisme très puissant, somme toute « mystérieux ». D’aucuns suggèrent que des points chauds « plus superficiels » pourraient se former à l’interface du manteau supérieur et du manteau inférieur. Une énigme de plus…

Philippe Testard-Vaillant

Extinctions en série Le principal responsable des six grandes extinctions en masse d’espèces biologiques qui ont ponctué les 500 derniers millions d’années est désormais clairement identifié : le volcanisme. Mais pas n’importe lequel. « Le volcanisme des traps, un volcanisme d’une intensité exceptionnelle, explique Vincent Courtillot, de l’IPGP. À chaque fois qu’une vague rapprochée d’éruptions s’est produite, l’atmosphère a été empoisonnée, essentiellement par du soufre. Chaque éruption massive et brève a sans doute déclenché une période froide, due au soufre, suivie d’une période chaude due au gaz carbonique, qui a pu en plus dans certains cas libérer les hydrates de méthane piégés dans les sédiments marins (induisant un effet de serre encore plus marqué). » Une septième crise d’extinction se profile-t-elle à l’horizon ? « Dans un avenir immédiat, rien n’indique qu’un événement de ce genre menace la Terre, assure Vincent Courtillot. Mais il est vraisemblable que cela se reproduira dans quelques millions, ou dizaines de millions d’années… » P.T.-V. Contact : Vincent Courtillot, courtil@ipgp.jussieu.fr

Du magma dans les poches Comment justifier la présence, révélée voilà maintenant une dizaine d’années par la sismologie, de zones partiellement fondues à la base du manteau ? Dans la revue Nature1, Stéphane Labrosse et Nicolas Coltice, du Laboratoire des sciences de la Terre, et John Hernlund, de l’University of British Columbia (Canada) ont fourni une explication : ces minipoches de fusion seraient les vestiges d’un océan de magma jadis beaucoup plus volumineux et contemporain de la jeunesse « très énergétique » de la Terre. Une part importante des éléments radioactifs que cette dernière héberge encore pourrait loger dans ces petits réservoirs. P.T.-V. 1. Nature, vol. 450, n° 7171, 6 décembre 2007, p. 866. Contact : Stéphane Labrosse, stephane.labrosse@ens-lyon.fr