Type d'image de panache obtenu par calculs. Cinzia Farnetani , de l'Institut de Physique du Globe, étudie l'influence des transitions de phase.

Bien entendu, les expériences d'Anne Davaille présentées ici ne peuvent pas répondre à toutes les questions que se posent les spécialistes sur le fonctionnent interne de la Terre.

Limites des expériences analogiques

Tout d'abord, ces expériences ne peuvent rien dire sur l'origine des hétérogénéités de composition détectées par les analyses des laves issues du manteau. Sont-elles dues à la différentiation de la Terre primitive, ou bien sont-elles le produit du cycle convection/fusion partielle au cours de quatre milliards d'années ?

Les expériences de laboratoire ne modélisent pas non plus la tectonique des plaques. Or, les plaques subduites réinjectent des hétérogénéités dans le manteau, la croûte par exemple. D'autre part, la formation des continents produit aussi un manteau «résiduel» hétérogène.

On peut imaginer qu'au cours des milliards d'années d'histoire de la Terre, ces hétérogénéités se soient rassemblées en réservoirs et qu'actuellement ces réservoirs soient devenus instables, sous la forme des dômes décrits dans les expériences de laboratoire.

Les expériences sont également limitées par l'impossibilité d'employer des matériaux dont les propriétés physiques varient avec la pression. En effet, avec la profondeur, les minéraux du manteau évoluent sous la pression qui augmente. Leurs structures se réorganisent pour devenir de plus en plus denses. La transition de l'olivine vers une structure spinelle est exothermique ce qui facilite la circulation des courants de convection dans le manteau supérieur. En revanche, la transition spinelle-perovskite, à environ 670km de profondeur, augmente beaucoup la densité du milieu et est un processus endothermique qui tend à s'opposer au passage des courants de convection. L'impossibilité d'employer des matériaux analogues est donc une limite expérimentale forte.

De même, le chauffage interne dû à la radioactivité des roches est hors de portée des expériences analogiques.

Enfin, une expérience analogique ne peut pas être réalisée en géométrie sphérique, avec une gravité centripète.

Complémentarité analogique/numérique

C'est là que les simulations numériques prennent toute leur importance : transitions de phase, influence de la pression sur les propriétés physiques, géométrie sphérique sont accessibles aux modélisations sur ordinateur.

Ainsi, au cours des trente dernières années, une succession d'études numériques, d'abord en deux dimensions puis en cylindrique ( dès 1989, P. Machetel, Directeur de Recherche au CNRS) et enfin en trois dimensions (P. Tackley & al. 1993), ont systématiquement exploré l'influence des transitions de phase sur la convection dans le manteau, démontrant leur possible effet de filtre sur les mouvements convectifs verticaux.

Dans le cas de la convection thermochimique, Cinzia Farnetani, Maître de Conférences à l'Université Paris 7, chercheur à l'Institut de Physique du Globe de Paris, a étudié avec des simulations 3D l'influence de la transition de phase dans des conditions similaires au manteau terrestre : dans le régime de dôme, la transition de phase à 670km de profondeur retarde la montée du dôme, fonctionnant donc comme un filtre. Le dôme peut stagner un temps sous la zone de transition et générer entre-temps un panache secondaire, avant de percer dans le manteau supérieur.

D'autres expériences numériques explorent les déformations des panaches et les mélanges dans le manteau. Les modèles des panaches de Hawaï et d'Islande montrent que c'est la matière de la base du manteau qui est entraînée et donc que les hétérogénéités de composition des laves sont dues à la présence d'anciens matériaux subductés et non à des entraînements du manteau pendant l'ascension du panache.

Une telle étude en 3D est extrêmement coûteuse en temps de calcul, en raison des forts gradients de densité et de viscosité. Il ne serait donc actuellement pas possible de faire une étude exhaustive.

On voit alors l'intérêt de coupler théorie, simulations numériques et expériences analogiques. Ces dernières se font en 3D quels que soient les gradients de viscosité et de densité. Dans ce cas précis, elles sont donc le bon outil pour cartographier les différents régimes en l'absence de transition de phase. On peut ensuite comparer les deux approches sur quelques cas tests. Par exemple, on étudie un régime de dômes sans transition de phase, puis la flexibilité du code numérique est utilisée pour comprendre l'influence de la transition de phase sur ce régime de dômes.

En conclusion, les grandes questions encore en suspens :
Comme il est dit en conclusion de l'expérience à deux couches, une vision de convection mantellique hybride commence à se dégager, avec des courants descendants froids et extrêmement visqueux (les plaques) et une grande variété d'instabilités chaudes résultant de la convection dans un manteau hétérogène.

Nous avons interrogé Anne Davaille :

La question classique : convection en une couche ou en deux couches, est-elle encore une bonne question ?

«Pour la question une couche - deux couches, je crois vraiment que ce n'est plus une bonne question. Tomographie et mécanique des fluides montrent que ce n'est pas la situation aujourd'hui. Pour l'histoire de la Terre sur 4 milliards d'années, il faut plutôt poser deux questions :

- y a-t-il eu une stratification primitive ?

- comment relier de manière quantitative le mélange convectif dans un manteau hétérogène avec les données géochimiques ?

 
De manière locale, dans l'espace et dans le temps, le manteau peut apparaître stratifié aux panaches, soit de part et d'autre d'un dôme thermochimique, soit à la transition de phase vers 660km qui retarde la remontée des panaches.

Manteau hétérogène et transition de phase font qu'une grande diversité de courants montants (ou de panaches) est à attendre. Et je pense qu'elle est effectivement observée.

Nous devons abandonner les deux schémas simples : une couche ou deux couches homogènes, au prix d'un schéma plus compliqué de convection en une couche hétérogène. »