Voyage mouvementé au centre de la Terre

Paris, le 26 février 1999

Dans un article paru cette semaine dans l'hebdomadaire spécialisé Science (26 février 1999), trois chercheurs d'unités mixtes du CNRS, de l'Ecole Normale supérieure de Lyon et de l'Observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand, démontrent la complexité des échanges chimiques qui se produisent dans les profondeurs de la Terre, entre le manteau et les lambeaux de plaques entraînées par la subduction de la lithosphère océanique(1). Ces résultats précisent ainsi le modèle dit du " gâteau marbré ", exposé en 1986 par Claude Allègre et Don Turcotte, chercheurs à l'Institut de physique du globe de Paris et à l'Université de Cornell, aux Etats-Unis.

Selon les géophysiciens, la lithosphère océanique se forme, depuis que la Terre est différenciée en lithosphère, manteau et noyau, par montée de lave basaltique à l'axe des dorsales océaniques issues de la fusion du manteau supérieur. Elle retourne ensuite dans les profondeurs de la Terre, entraînée dans les zones de subduction avec les sédiments qui la surmontent. Une fois engloutie dans le manteau chaud de la Terre, que devient la lithosphère océanique? Se dissout-elle? Subsiste-t-elle, intacte, malgré le brassage imposé par la convection? Le manteau change-t-il de composition au cours du temps? Existe-t-il encore du manteau conservé intact depuis le temps des origines? Que se passe-t-il quand, par fusion du manteau, du magma se forme et alimente les dorsales océaniques et les volcans des points chauds?

Selon la théorie dominante, les lambeaux de lithosphère océanique, entraînés dans le manteau par subduction, sont lentement étirés, fragmentés, brassées pendant des dizaines, voire des centaines de millions d'années par la convection. Sous l'effet combiné de la pression, de la température et de la déshydratation, ces roches, essentiellement d'origine basaltique, fondent en partie en un résidu appelé pyroxénite (une roche cristalline riche en pyroxènes) et en basaltes qui remontent à la surface. Jusqu'à présent, on supposait que ces lambeaux de pyroxénites étaient des traceurs passifs, pétris mécaniquement. La vision du manteau, devenue populaire, était celle d'une matrice de péridotites (des roches riche en olivine) marbrée de pyroxénites. Dans ce modèle dit du " gâteau marbré " proposé en 1986 par Claude Allègre et Don Turcotte, chercheurs à l'Institut de physique du globe de Paris et à l'Université de Cornell, aux Etats-Unis, chaque ingrédient du gâteau garde sa composition d'origine.

Pour analyser ce manteau, caché sous les épaisses croûtes océaniques et terrestres, les géochimistes étudient les laves basaltiques qui en sont issues, les fragments de roches profondes que ces laves peuvent arracher lors de leur ascension vers la surface, ou encore les massifs de roches péridotitiques, ces morceaux de manteau plus ou moins altérés, portés à l'affleurement par les mouvements de la tectonique des plaques, et rendus ainsi accessibles aux marteaux des géologues.

Pour l'expérience, Janne Blichert-Toft, Francis Albarède et Jacques Kornprobst ont étudié un petit massif de péridotites situé à Beni Bousera au Maroc, mis en place au Tertiaire. Merveilleusement préservé de l'altération, ce massif provient d'une grande profondeur, sans doute plus de 150 km, comme en témoigne la présence de fantômes de diamants sur le site. Il constitue l'archétype du manteau tel qu'il nous apparaîtrait dans un voyage au centre de la Terre. " Les rubannements de pyroxénites dans la péridotite sont spectaculaires (cf photo), confie Francis Albarède. La composition isotopique de l'oxygène dans les pyroxénites, déterminée lors d'une étude antérieure par un groupe anglais, indique clairement que ce sont des roches qui ont vu la surface à un moment de leur histoire alors que la matrice péridotitique garde des caractéristiques primordiales. Il s'agit donc bien là d'un fragment de manteau dans lequel des ingrédients d'origines diverses ont été malaxés ensemble ". Reste à savoir si ces éléments ont aussi gardé leur composition d'origine.

Grâce à l'acquisition en 1994 du premier spectromètre de masse à source plasma qui augmente d'un facteur 1000 le niveau de détection des éléments chimiques, les chercheurs de l'Ecole normale supérieure de Lyon ont pu dater les grenats contenus dans les pyroxénites du massif de Beni Bousera (25 millions d'années), les premières du genre, et aborder l'analyse du rapport isotopique lutétium-hafnium.

L'isotope 176 du hafnium est radiogénique, produit par désintégration radioactive de l'isotope 176 du lutétium. Les proportions d'isotope radiogénique dans l'hafnium des basaltes sont bien connues, en particulier depuis l'avènement de la spectrométrie de masse à source laser. La mesure des proportions d'hafnium radiogénique dans les pyroxénites de Beni Bousera montre un intervalle de variation bien plus vaste que celui observé dans les basaltes. Il y a là une contradiction. Ce résultat, ainsi que d'autres présentés dans cet article, conduisent les auteurs à proposer un processus intégrateur capable d'expliquer ces observations : la fusion préférentielle des lits de pyroxénite est suivie d'une réaction des liquides formés avec les péridotites qu'ils rencontrent au cours de leur ascension. Ces événements se produisent à des profondeurs supérieures à 100 km. Les liquides complexes qui ont la chance de s'échapper du milieu fondu et d'être émis aux rides océaniques ou par les volcans des points chauds, donnent les magmas basaltiques que nous connaissons.

Si on imagine que se processus se produit en permanence au cours de l'histoire de la Terre, on comprend la difficulté que rencontrent les géochimiste à reconstituer les épisodes. Et si le manteau est un gâteau marbré, les ingrédients se sont passablement mélangés et la recette est devenue difficile à lire.

(1) Article de Science disponible auprès de l'INSU / Photo disponible auprès des chercheurs

Documents archives disponibles sur http://www.insu.cnrs-dir.fr/".

Contact chercheurs : Francis Albarède CNRS - ENS de Lyon Tel : 04 72 72 84 14 Mél : albarede@ens-lyon.fr

Contact INSU - CNRS : Christiane Grappin Tel : 01 44 96 43 37 Mél : cgrappin@mesiob.obspm.fr

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