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La chaleur et le nombre de Rayleigh
Le flux de chaleur
La tomographie sismique
Les volcans



CNRS-Głomanips

Représentation en bleu des masses moins chaudes du manteau, en rouge des masses plus chaudes.
On retrouvera dans d'autres types d'images ces masses plus chaudes sous l'Afrique et sous le Pacifique.
Les contours des continents sont figurés en jaune.
© A. Forte


En dehors de leurs conséquences volcaniques ou sismiques, les mouvements des plaques ne se voient pas à l'œil nu ! Mais les géologues ont réuni une telle masse d'observations et de mesures que l'on connaît bien aujourd'hui leurs directions, leurs vitesses, leurs frontières, là où elles se séparent et se rapprochent. Pour faire bouger la lithosphère rigide et froide, la majorité des géoscientifiques font appel à la convection thermique. Celle-ci est corroborée par de nombreuses observations et calculs relevant de différents domaines d'étude.





La chaleur et le nombre de Rayleigh
Le flux de chaleur
La tomographie sismique
Les volcans


 

 

L'interface noyau-manteau a une température estimée à 3 500°C tandis que la surface terrestre est à 15°C. Les conditions physiques du manteau (nombre de Rayleigh) sont telles qu'il doit être animé de courants de convection pour lesquels on calcule une vitesse d'une dizaine de cm/an, ce qui est compatible avec le déplacement mesuré pour les plaques. On peut donc raisonnablement considérer que la convection mantellique existe et que, de plus, elle peut être le moteur des plaques lithosphériques.




 



 



La chaleur et le nombre de Rayleigh
Le flux de chaleur
La tomographie sismique
Les volcans



Le flux de chaleur à la surface du globe


Les plaques refroidissent avec l'âge

Les flux mesurés à la surface du globe sont traduits en zones colorées. En jaune et rouge elles laissent passer un flux de chaleur plus élevé que la moyenne : elles correspondent principalement aux dorsales océaniques. Les zones colorées en vert et bleu correspondent aux croûtes continentales ou aux vieilles plaques océaniques d'où s'échappe un flux faible.
Bien que l'on ait pu estimer que la TOTALITÉ de la chaleur émise par la Terre et rassemblée sous le lac Léman (idée amusante !) pourrait le faire bouillir en quinze jours … le flux de chaleur provenant de l'intérieur du globe ne chauffe pas vraiment la surface car il est extrêmement faible par rapport à l'énergie solaire. Sa valeur moyenne, de 0,07 W/m2, revient à éclairer «un terrain de foot avec 3 ampoules de 100 W !».
Quelle est son origine ? Essentiellement la décroissance actuelle des éléments radioactifs dans le manteau, mais aussi dans la croûte. Il faut toutefois y ajouter de vieux souvenirs : l'accrétion avait formé une Terre primitive très chaude et la chaleur dégagée par la radioactivité était très intense il y a 4 milliards d'années.
Ces données s'accordent bien avec l'existence d'hétérogénéités des températures du manteau et de zones chaudes sous l'axe des dorsales, qui correspondraient à des branches ascendante de cellules de convection.



Mesurer le flux de chaleur au Canada

Mesurer le flux de chaleur au Canada : Du terrain au labo...
Comment la Terre se refroidit-elle depuis sa formation, comment évacue-t-elle sa chaleur ? Ce refroidissement conditionne toute la dynamique de la planète et les géophysiciens cherchent à en déterminer le taux aussi précisément que possible. Pour atteindre cet objectif, de nombreuses mesures sont nécessaires car la Terre ne se refroidit pas de manière homogène. Le flux thermique, c'est-à-dire la quantité d'énergie perdue par le globe par unité de surface et par unité de temps, varie énormément à la surface terrestre. C'est pourquoi de nombreuses mesures sont nécessaires.

Nous allons suivre une équipe de recherche française depuis le Canada où elle
procède à des mesures de température dans des forages profonds, et échantillonne les roches, jusqu'au laboratoire de l'IPGP à Saint-Maur où sont déterminées leurs conductivités thermiques.

L'équipe française, en collaboration avec une équipe de recherche canadienne, se prépare à faire une campagne de mesures de température dans les forages en mai, lorsque la glace a fondu. Pour un forage atteignant 1 200 m, un matériel assez léger suffit. Au-delà, l'ensemble des instruments indispensables à de bonnes mesures n'est pas transportable à dos d'homme. L'équipe profite des forages effectués par les compagnies minières en vue d'exploitation ou d'exploration (métaux variés) qui atteignent des profondeurs allant de 300m à 1000m, et exceptionnellement 2000m.




 



 



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Images tomographiques


Principe de la tomographie sismique

Des images très variées sont obtenues, images en volume comme celle qui figure en haut de cette page, images en coupes atteignant des profondeurs diverses. Un troisième type d'image doit être observé attentivement : les contours des continents ne figurent qu'à titre de repère et les couleurs symbolisent les vitesses des ondes à une profondeur donnée ; ceci dessine une surface en profondeur, un peu comme s'il s'agissait d'une des écailles profondes... d'un oignon.

On distingue des continents froids, des matériaux chauds sous les dorsales océaniques, des plaques océaniques chaudes près des dorsales et les zones de subduction correspondent à du matériel froid. Jusqu'à 200 km de profondeur, on trouve des correspondances avec la surface. On détecte également, sur d'autres types d'images, la grande profondeur que peut atteindre une plaque subduite : certaines semblent s'écraser sur la limite manteau-noyau.

Le manteau apparaît ainsi comporter des zones thermiquement hétérogènes. Mais les belles images obtenues sont comme des photos instantanées actuelles, elles ne démontrent pas le mouvement.

Dans le paragraphe suivant on verra que la tomographie révèle aussi l'existence d'énormes panaches de matériaux plus chauds que leur environnement.

 





 



 



La chaleur et le nombre de Rayleigh
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La tomographie sismique
Les volcans



Laves basaltiques émises par les dorsales atlantique et pacifique


Laves basaltiques émises par le Piton de la Fournaise (2002)


Hélium, traceur de l'origine des basaltes

Les volcans qui apportent en surface matériel et chaleur représentent la plus évidente observation de terrain d'un excès d'énergie thermique interne. De plus ils démontrent que le manteau n'est pas une couche homogène.
Que nous apprennent le terrain et les études géochimiques et géophysiques ?


A l'oeil nu, les basaltes émis par les dorsales océaniques ou par des volcans de points chauds attribués à des panaches, ou plumes en anglais, se ressemblent. Cependant, leurs analyses chimiques montrent des teneurs différentes en certains éléments (terres rares, hélium...). On en déduit que leurs magmas proviennent de réservoirs différents.

Les volcans des dorsales océaniques (3 000 volcans actifs) émettent des laves (appelées MORB pour Mid Océan Rift Basalt) dont la composition est assez constante. Elles proviennent donc d'un réservoir relativement homogène, occupant la partie supérieure du manteau.

Les volcans situés hors des frontières de plaques (points chauds), émettent des basaltes appelés OIB (Oceanic Island Basalt). Leur composition est variable, mais plus riche en éléments primitifs et en gaz que celle des MORB. Ces laves proviennent d' une couche profonde. Le manteau est donc hétérogène.



Panache sous le Pacifique sud


Panache sous le sud de l'Afrique

Autres observations à partir de mesures de terrain :

La tomographie détecte actuellement d'énormes dômes ( super-plumes en anglais) de matière chaude sous le Pacifique et sous le sud de l'Afrique. Par ailleurs, l'imagerie satellitaire a permis de détecter des bombements topographiques (en anglais, superswell ) sur des distances de l'ordre du millier de km qui affectent le plancher océanique de la Polynésie française, le surélevant de 1000 m par rapport à celui des autres océan du même âge. De même, le Sud de l'Afrique et ses bassins océaniques adjacents sont anormalement élevés.

Les anomalies gravimétriques, thermiques et sismiques concordent pour suggérer que sous les superswells, ces bombements de la surface, montent de très importants dômes chauds.

Ces résultats tomographiques expliquent la genèse des immenses plateaux basaltiques que l'on rencontre sous la mer, comme celui des îles Kerguelen, ou sur les continents, comme les traps (lien vers « Panaches, traps et volcans » ci dessous) de Sibérie ou les traps du Deccan, en Inde (célèbres car contemporains de la disparition des dinosaures). Les laves qui édifièrent ces derniers ont couvert l'équivalent de la surface de la France sur au moins 2 km d'épaisseur en 500 000 ans, ce qui est très rapide.

De telles montées gigantesques de matériel chaud traduisent des mouvements convectifs dans le manteau.

Leur sont associés les plus modestes volcans dits «points chauds» (hotspots) qui perforent la lithosphère qui se déplace au-dessus de leur source, fixe.

A la différence des volcans de dorsales ou de subduction, les volcans dits «points chauds», en position intraplaques, intéressent le manteau dans son ensemble : Vincent Courtillot et ses collaborateurs, dont Anne Davaille que nous retrouverons dans son laboratoire, montrent la diversité des sources des points chauds dans le manteau : certains sont alimentés par des sources assez superficielles (moins de 200 km), d'autres sont issus de panaches émergeant, soit du haut des dômes, soit de la base du manteau au niveau de la couche D''. Ces derniers sont dits panaches primaires.

 

La taille, la composition chimique des épanchements volcaniques, la visualisation de leurs racines dans le manteau par tomographie donnent un moyen d'accéder au fonctionnement du manteau.

Ces recherches conduisent à concevoir un manteau plus hétérogène qu'on ne l'imaginait. Les gigantesques structures chaudes, détectée ou non (lorsque les conduits sont trop minces), par la tomographie sismique relèvent du phénomène de convection. Il faut comprendre comment ces montées verticales se superposent aux modèles des grandes cellules de convection.


Panaches





 





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