Géologie : plongée dans le manteau supérieur

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plongee-manteau-superieur-1644/
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Géologie:plongéedanslemanteausupérieur
LemanteausupérieurdelaTerre estlethéâtre dephénomènesmagmatiques etde transformations
rocheuses passionnants. Il est un objet d'étude privilégié pour comprendre la composition de la
planète. Dans cedossier,lesscientifiques vousentraînentàbordde leursnavires,pouruneplongée
aucœ urdumanteau.
Chapitre1/9-Géologie:plongéedanslemanteausupérieur
De tous temps, la composition de la Terre, dont le volume dépasse 1000 milliards de km 3, a nourri
l'imaginaire littéraire et animé la curiosité des scientifiques. Aujourd'hui, grâce aux avancées
technologiques, il est possible de connaître avec plus de précision la structure des différentes
couches de notre planète, du noyau jusqu'à la croûte terrestre. À ce titre, l'étude du manteau
supérieurestriched'enseignements.
De quoi est fait l’intérieur de la Terre ? Jusqu’au début du 18 e siècle, faute de données, le globe terrestre était
généralementconsidérécommecreuxoucontenantlesgrandesquantitésd’eaunécessairesaudéluge.C’estavecle
développementdelagravimétrie(étudedelarépartitiondesmasses),puisdelasismologie(étudedelapropagation
desondessismiques),quelaTerreestapparuepleineetdense.
Or, il a fallu attendre la seconde moitié du 20e siècle pour réaliser que certains matériaux observés en surface
provenaientdirectementdezonesassezprofondes,apportantunéclairagenouveausurcesdomainesinconnus.
Ci-dessus,unepyroxéniteàgrenatetdiamantgraphitisédumassifdesBeniBousera(Maroc),
provenantd’aumoins150kmdeprofondeur.Lestexturessontliéesaurefroidissementetàla
décompression.Cettelamemince(longueur2cm),aétéobservéeenlumièrepolariséeanalysée.©
JacquesKornprobst
26/03/2013-Par
JacquesKornprobst

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Ce dossier invite à voyager au cœur du manteau supérieur dela Terre, pour mieux comprendre sa nature et sa
composition. Les roches issues duvolcanisme ou encore le mécanisme de formation de certaines chaînes de
montagnes(orogenèse),permettentdedécrypterlastructuredesprofondeursdenotreplanète.L’Hommeaaussisu
créer des engins pour explorer directement lesabysses, jusqu’alors inaccessibles aux géologues et géographes. Du
JOIDESResolution auNautile, les équipes de scientifiquesse sontpenchées surla margedela Galice,à lagéologie
particulière,entremeretocéan.
Chapitre2/9-Voyageduciel…aucentredelaTerre
S’iln’estpaspossibled’observerlenoyauetlescouchesprofondesdelaTerre,plusieursindicesnous
aidentàconnaîtrelastructuredenotreplanète.Àcetitre,lesmétéoritesetl’étudedeladensitédes
matériauxsontprécieuses.
Àlasuitedel’évaluationdeladensitémoyennedelaTerre (5,48g/cm3)parHenryCavendishen1798,EdouardRoche
imagine,en1881,queleglobeterrestreestconstituédecoquillesemboitéesdedensitécroissante,delasurfacevers
le centre. Selon lui, un cœur dense, « analogue aux fers météoritiques »  (le noyau), serait ainsi entouré d’une
enveloppe « comparable aux aérolithes de nature pierreuse » (le manteau), elle-même recouverte par la croûte
granitique.
Lesenseignementsvenusduciel:lesmétéorites
Cefragmentde500kgdelamétéoritemétallique(feretnickel)deTamentit,donneuneidéedela
compositiondunoyaudelaTerre.CettemétéoritedécouverteenAlgérieauXIXesiècle,est
maintenantexposéeàVulcania.©JacquesKornprobst

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Lamétéoritepierreuse(ouchondrite)deHighPossilenÉcosse,seraitreprésentativedela
constitutiondumanteau,selonEdouardRoche.Lefragmentci-dessuspèse151g.L’assemblage,
constituéd’olivineetdepyroxènes(teintesvertes),estentouréd’unecroûtenoire,verrerésultant
delafusiondelasurfacedel’aérolithelorsdesonentréedansl’atmosphère.© TheHunterian ,
universitédeGlasgow,2012
Ci-dessus,onobserveunelamede109,7g.,extraitedelapallasited’Imilac,unemétéorite
découverteen1822dansledésertd’AtacamaauChili.Lescristauxd’olivinesonttransparentstandis
quel’alliagedeferetdenickel,totalementopaque,présentedesrefletsgris-bleuté.©Michael
Farmer,meteoritehunter,2012
Certaines météorites appelées lithosidérites (incluant lespallasites), ont des caractéristiques intermédiaires, entre
celles des « fers » et celles des « pierres ». Elles sont constituées decristaux d’olivine dispersés dans un agrégat
métallique. Probablement issues de petites planètes pulvérisées par des collisions, les pallasites ont parfois été
considéréescommel’imaged’unetransitionentremanteauetnoyauterrestre.
Structureduglobeterrestre:dunoyauàlacroûte
Laconceptiond’EdouardRochesurlaconstitutiondelaterre,aétévalidéeetaffinéeparplusd’unsiècled’étudedela
propagationdesondesgénéréesparlestremblementsdeterre.AndrijaMohorovicic,en1909,définitlalimitecroûte-
manteau.Puis,en1914,BenoGutenbergdéterminelesfrontièresdumanteausilicatédontladensité(d)estcomprise

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entre3,3et5,5g/cm3,etdunoyaumétallique(10<d<13g/cm3).
Ci-dessus,unereprésentationdelastructuresismiqueduglobeterrestre.©ModifiéparJacques
KornprobstetChristineLaverne,BRGMetG&Bédition,2002
En 1936, Inge Lehmann et Keith Bullen montrent que le noyau est constitué d’une graine solide, entourée d’une
enveloppeliquidedanslaquellelesondesdecisaillement(ouondessismiquessecondaires),nesepropagentpas.Une
«zonedetransition»existeentre410et670kmdeprofondeur,entremanteausupérieuretmanteauinférieur:elle
est le lieu de transformations minéralogiques liées à l’augmentation progressive de la pression. Il faut noter que le
manteauestentièrementsolide;sapartiesupérieure,lalithosphèrequienglobeaussilacroûte,estrigideetconstitue
lesplaqueslithosphériques.
Le noyau est inaccessible. Mais plusieurs processus permettent à des fragments du manteau supérieur
d’arriverjusqu’àlasurface.L’étudedeleursmécanismesdemiseenplaceestunélémentmajeurdecompréhension
deladynamiqueduglobeterrestre.
Chapitre3/9-Comprendrelemanteausupérieurgrâceauvolcanisme
Les péridotites sont des roches métamorphiques, résultant de fortes déformations dans le manteau
supérieur. Présentes dans certains basaltes en surface, elles témoignent de la dynamique active du
manteau.
Certains basaltes contiennent, parfois en grande abondance, des enclaves souvent anguleuses de roches vertes. Il
s’agitdepéridotites,constituéesprincipalementd’olivine(oupéridot)etdepyroxènes.Leurdensitéestde3,3g/cm3.
Cesrochesressemblentbeaucoupauxmétéoritespierreuses;c’estpourquoiClarenceRossasuggéré,en1954,qu’il
s’agissedefragmentsarrachésaumanteausupérieurettransportésparleslavesjusqu’àlasurface.
Lespéridotites:enclavesdemanteausupérieurdanslesbasaltes

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Ci-dessus,onremarquedesenclavesdepéridotitesissuesdumanteausupérieur,danslesbasaltes
deSauterre(Puy-de-Dôme).©JacquesKornprobst
Ces péridotites contiennent généralement du spinelle (Mg,Fe)(Al,Cr)2O4. Elles ont cristallisé sous des pressions
relativementfaibles,de1à1,5gigapascal(GPa),etproviennentdoncderégionspeuprofondesdumanteausupérieur
(40à50km),situéesimmédiatementsouslacroûtecontinentale.Plusrarement,onrencontredespéridotitesàgrenat
(Mg,Fe,Ca)3Al2Si3O12,quitémoignentdepressionsdecristallisationplusélevées(supérieuresà1,5Gpa)etsontdonc
issuesdeprofondeursplusgrandes(au-delàde70km).
Desassemblages«solides»:lesrochesmétamorphiques
Les arrangements mutuels des cristaux qui constituent les péridotites du manteau supérieur, sont typiques de
matériauxayantcristalliséàl’étatsolide.Ilnes’agitdoncpasderochesignéesouplutoniques,maisderochesdites
métamorphiques. Ces dernières ont parfois été fortement déformées. Le manteau supérieur est donc le siège de
mouvementstectoniques,quitémoignentd’unedynamiqueactivedecettecouche.
Ci-dessus,unepéridotited’Hawaï,oùles«jointstriples»entrelesgrains,typiquesdesroches