Le manteau terrestre nous livre un nouveau secret

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La structure de la Terre révèle de nouveaux secrets. En de nombreux points du Globe, y compris dans le Pacifique, des ondes sismiques sont ralenties au niveau de la couche nommée discontinuité de Gutenberg ou G.

Elle correspondrait en réalité à l’interface lithosphère-asthénosphèreet serait composée de magmaen fusion. Contrairement à ce que l'on pensait, cette couche n’existe qu’à proximité des volcans.


La surface de la Terre est recouverte par des plaques lithosphériques en mouvements. Elles se composent de morceaux de la croûte terrestre, continentale ou océanique, et d’une partie du manteau supérieur. La limite inférieure de cette structure froide et rigide se situe généralement entre 100 et 200 km de profondeur. Au-delà commence l’asthénosphère, une seconde région du manteau relativement chaude et ductile.

L’étude de la vitesse de propagation des ondes sismiques est un outil précieux qui est exploité pour caractériser la structure interne de la Terre. Ce paramètre est lié à la densité et à la viscosité des matériaux traversés.


Dans les faits, les ondes accélèrent en pénétrant en profondeur dans la lithosphère puis ralentissent brusquement lors de leur passage au sein de l’asthénosphère avant d'accélérer à nouveau.

En certains points du Globe, des réductions de vitesse plus importantes que la normale (15 à 30 %) peuvent être observées entre 35 et 120 km de profondeur sous les océans, donnant ainsi naissance à une discontinuité dites de Gutenberg (G).

La frontière séparant le manteau inférieur du noyau extérieur porte également ce nom, il ne faut pas confondre ces deux limites !

La profondeur de cette discontinuité G coïncide souvent avec la frontière lithosphère-asthénosphère (LAB). Il n’existe cependant pas de preuve directe affirmant qu’elles ne forment qu’une seule et même structure.

L’origine de la discontinuité G pose également question car la température ne peut pas expliquer les variations de viscosité et donc de vitesse.

Nicholas Schmerr du Goddard Space Flight Center Planetary Geodynamics Laboratory de la Nasa fournit aujourd’hui, dans la revue Science, un nouvel éclairage sur les processus en jeu, grâce à des observations réalisées dans le Pacifique. La discontinuité G marque bien la frontière lithosphère-asthénosphère mais uniquement sous des régions où le volcanisme est important.

Il est difficile d’étudier la structure précise de la Terre sous l’océan pacifique, surtout au-delà de 100 km de profondeur. Il n’y a en effet pas assez d’îles correctement positionnées sur lesquelles construire des stations d’étude et la pose de sismomètres sur le plancher océanique est difficile et coûteuse.

De plus, la superficie à couvrir est énorme. Les cartographies de la discontinuité G présentent donc de nombreuses lacunes pour cette région. Nicholas Schmerr est parvenu à exploiter des ondes sismiques de hautes fréquences, nommées SS, et à développer une nouvelle technique d’analyse pour pallier ces problèmes.

Ses résultats vont permettent de changer certaines croyances concernant la structure de la Terre. La discontinuité G n’est pas une couche homogène recouvrant l’ensemble du Pacifique. Elle n’a été détectée qu’à proximité de lieux présentant un volcanisme récent en surface.

Par ailleurs, la profondeur de cette couche augmente proportionnellement à l’âge de la plaque lithosphérique la surplombant. Or, ces dernières s’épaississent avec l’âge, abaissant ainsi la position de la frontière lithosphère-asthénosphère.

Conclusion : la LAB et la discontinuité G sont en réalité deux éléments identiques.

Sur base de ces résultats, Nicholas Schmerr émet l’hypothèse suivante : la discontinuité G serait composée de magma en fusion bloqué sous la lithosphère.

Ces roches peu visqueuses pourraient avoir deux origines : un phénomène de décompression dans l’asthénosphère (des minéraux chauds se déplacent trop rapidement vers le haut, la pression diminuant, ils se liquéfient) ou la remontée d’un diapir mantellique sous la forme d’un panache.

Cette découverte devra être prise en compte par les chercheurs étudiant le fonctionnant de la tectonique des plaques. Il est difficile maintenant d’affirmer que les plaques glissent sur la discontinuité de G alors que celle-ci n’est pas continue...


Futura Sciences 26/03/2012

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Comment les roches se déforment-elles pour permettre les mouvements de convection du manteau terrestre ? Cette question, jusqu’ici irrésolue, vient enfin de trouver une réponse : des défauts cristallins microscopiques, appelés désinclinaisons, seraient à l’origine de ce phénomène déterminant à l'échelle de la planète.

Le manteau terrestre, sur lequel reposent les continents, constitue une enveloppe solide animée de lents et constants mouvements de convection. C’est grâce à eux que la Terre évacue sa chaleur en continu. Comprendre ce phénomène est donc primordial pour l’étude de la tectonique des plaques. Pour que le manteau puisse s'animer de mouvements de convection, il est nécessaire que la structure cristalline de ses roches se déforme. Ceci constituait jusque-là un paradoxe que la science n’arrivait pas tout à fait à résoudre. En effet, les défauts de la structure des cristaux, appelés dislocations, qui expliquent très bien la plasticité des métaux, n’étaient pas suffisants pour comprendre les déformations que subissent certaines roches du manteau.

Sous la croûte terrestre se trouve le manteau (mantle en anglais). Sa plasticité a longtemps été un mystère… jusqu’à aujourd’hui. mitopencourseware, Flickr, cc by nc sa 2.0

Une équipe du CNRS vient d’apporter une explication inattendue à cette problématique. Celle-ci met en jeu des défauts cristallins très mal connus et jusqu’alors jamais pris en compte, appelés désinclinaisons et situés à l’interface entre les grains minéraux qui composent les roches. En prenant comme cas d’étude l’olivine, le constituant principal du manteau supérieur, les chercheurs sont parvenus pour la première fois à visualiser ces défauts et à modéliser le comportement des joints de grains face à une contrainte mécanique. Ces résultats, publiés dans la revue Nature, dépassent largement le cadre des géosciences : ils apportent un outil nouveau et extrêmement puissant à l’étude de la dynamique des solides et aux sciences des matériaux en général.

 Structure de la Terre. 1. croûte continentale, 2. croûte océanique, 3. Manteau supérieur, 4. Manteau inférieur, 5. noyau externe, 6. noyau interne, A : Discontinuité de Mohorovicic, B : Discontinuité de Gutenberg, C : Discontinuité de Lehmann - Dake  CC-BY-SA-2.5

Les chercheurs imaginaient bien que la solution se trouvait au niveau des interfaces des grains minéraux qui composent les roches. Cependant, jusqu’à présent, ils manquaient d’outils conceptuels pour décrire et modéliser le rôle joué par les parois entre les grains dans la plasticité des roches. Grâce à un microscope électronique et un traitement spécial des images, l’équipe française est enfin parvenue à observer les désinclinaisons sur des échantillons d’olivine. À l’aide d’un modèle mathématique, ils ont démontré qu’elles expliquaient la plasticité de l’olivine. En appliquant des contraintes mécaniques, les désinclinaisons permettent aux joints de grains de se déplacer et à l’olivine de se déformer dans n’importe quelle direction. Ainsi, écoulement et rigidité du manteau ne sont plus incompatibles.

Image en microscopie optique et lumière polarisée d'un polycristal d'olivine naturel. Les désinclinaisons de l’olivine, à l’interface entre les grains, expliqueraient la plasticité du manteau terrestre. Sylvie Demouchy, Montpellier

Ces travaux vont bien au-delà de l’explication de la plasticité des roches du manteau terrestre. Il s’agit d’une avancée majeure en sciences des matériaux. En effet, la prise en compte du rôle des désinclinaisons devrait fournir aux scientifiques un outil nouveau pour expliquer de nombreux phénomènes liés à la mécanique des solides. Les chercheurs veulent poursuivre leur étude de la structure des joints de grains sur d’autres minéraux, mais aussi sur d'autres solides comme des métaux.

FUTURA SCIENCES 7/3/2014