Structure et dynamique du manteau profond de la Terre

Nous avons commencé par une introduction historique détaillant les étapes principales dans la construction du modèle moyen de la Terre, modèle à symétrie sphérique en « pelures d’oignon », avec sa croûte et son manteau solides et constitués de silicates, son noyau liquide (Oldham, 1906) formé de fer allié avec 10 % d’éléments légers et sa graine solide, formée de fer pur. Ce modèle moyen, construit en combinant les informations provenant des mesures sismologiques, confrontées aux expériences de physique des matériaux à haute pression et température, donne une image statique de l’intérieur de la Terre. Les phénomènes observés en surface, tremblements de terre et éruptions volcaniques, indiquent cependant que l’intérieur de la Terre n’est pas figé, et on accepte volontiers de nos jours que le manteau de la Terre est animé de mouvements de convection, servant à évacuer la chaleur primordiale (refroidissement de la Terre au cours des temps géologiques) et celle produite par les éléments radioactifs. Ces courants de convection sont le moteur de la tectonique des plaques, mais nous ne connaissons pas encore en détail leur morphologie.

Nous avons rappelé les principaux outils sismologiques (mesure des temps de propagation et des amplitudes des ondes de volume de type P et S, des ondes de surface, fréquences des vibrations propres), la façon dont on détecte sismiquement les discontinuités dans le manteau, en particulier les discontinuités du manteausupérieur à 400 km, 520 km et 660 km de profondeur, liées aux changements de phase dans l’olivine, qui constitue de 50 % de la composition du manteau.

Nous avons présenté les principaux outils de l’étude des matériaux terrestres aux pressions et températures du manteau, outils expérimentaux tels la cellule de diamant à chauffage laser, ou la cellule multi-enclume. Avant d’aborder la structure du manteau profond, nous avons présenté un résumé des connaissances récentes sur la « zone de transition » du manteau, zone où ont lieu les principaux changements de phase. Nous avons introduit le modèle pyrolitique de la composition du manteau, basé sur les observations de laves volcaniques éruptées dans les rides océaniques. Nous avons mentionné l’influence de l’eau sur ces transitions de phase, sachant que la quantité d’eau contenue dans le manteau n’est pas connue de manière précise.

Nous avons ensuite abordé la composition du manteau inférieur, formé en majeure partie de pérovskite de magnésium et de fer (Mg, Fe)SiO3, avec une proportion d’environ 20 % d’oxydes (ferropériclase (Fe, Mg)O). Nous avons mentionné la découverte, en 2004, de la transition de phase pérovskite → post-pérovskite dans la pérovskite magnésique, qui aurait lieu à des pressions et températures correspondant à une profondeur dans le manteau d’environ 200 km au-dessus de la limite noyau- manteau. À cette profondeur, une discontinuité sismique a été observée dans ieurs régions du monde. Nous y reviendrons.

Nous avons décrit nos connaissances sur le profil moyen de température dans la Terre, appelé « géotherme », contraint par 1) les mesures près de la surface, 2) les pentes de Clapeyron des transitions de phase du manteau supérieur, et la limite noyau externe/graine, et 3) l’hypothèse d’adiabaticité associée à la présence de convection dans la majeure partie du manteau (sauf les couches limites où le transfert de chaleur se fait par conduction, près de la surface et de la limite noyau- manteau), et dans le noyau externe fluide. Des incertitudes considérables demeurent sur le saut de température à la limite manteau-noyau (CMB) et sur la température de fusion du fer aux pressions correspondant à la limite de la graine.

Pour finir, nous avons rappelé nos connaissances sur la rhéologie dans le manteau et le profil moyen de viscosité, contraint par les mesures de gravité et les variations temporelles de l’altitude dans certaines régions continentales, dues au rebond postglaciaire. Des variations importantes de viscosité sont présentes dues à l’influence de la température et autres paramètres physiques sur celle-ci. Les incertitudes sur le profil de viscosité dans le manteau sont importantes, mais on sait que celle-ci augmente avec la profondeur, avec une différence de l’ordre d’un facteur 30 entre le manteau supérieur (les premiers 660 km de profondeur) et le manteau inférieur.