Géologie : plongée dans le manteau supérieur

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Futura-Sciences
26/03/2013-Par
JacquesKornprobst
Géologie:plongéedanslemanteausupérieur
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
aucœ urdumanteau.
Chapitre1/9-Géologie:plongéedanslemanteausupérieur
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
supérieurestriched'enseignements.
De quoi est fait l’intérieur de la Terre ? Jusqu’au début du 18 e siècle, faute de données, le globe terrestre était
généralementconsidérécommecreuxoucontenantlesgrandesquantitésd’eaunécessairesaudéluge.C’estavecle
développementdelagravimétrie(étudedelarépartitiondesmasses),puisdelasismologie(étudedelapropagation
desondessismiques),quelaTerreestapparuepleineetdense.
Or, il a fallu attendre la seconde moitié du 20e siècle pour réaliser que certains matériaux observés en surface
provenaientdirectementdezonesassezprofondes,apportantunéclairagenouveausurcesdomainesinconnus.
Ci-dessus,unepyroxéniteàgrenatetdiamantgraphitisédumassifdesBeniBousera(Maroc),
provenantd’aumoins150kmdeprofondeur.Lestexturessontliéesaurefroidissementetàla
décompression.Cettelamemince(longueur2cm),aétéobservéeenlumièrepolariséeanalysée.©
JacquesKornprobst
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Ce dossier invite à voyager au cœur du manteau supérieur dela Terre , pour mieux comprendre sa nature et sa
composition. Les roches issues duvolcanisme ou encore le mécanisme de formation de certaines chaînes de
montagnes(orogenèse),permettentdedécrypterlastructuredesprofondeursdenotreplanète.L’Hommeaaussisu
créer des engins pour explorer directement lesabysses, jusqu’alors inaccessibles aux géologues et géographes. Du
JOIDESResolution au Nautile, les équipes de scientifiques se sont penchées sur la marge de la Galice, à lagéologie
particulière,entremeretocéan.
Chapitre2/9-Voyageduciel…aucentredelaTerre
S’iln’estpaspossibled’observerlenoyauetlescouchesprofondesdelaTerre,plusieursindicesnous
aidentàconnaîtrelastructuredenotreplanète.Àcetitre,lesmétéoritesetl’étudedeladensitédes
matériauxsontprécieuses.
Àlasuitedel’évaluationdeladensitémoyennedelaTerre (5,48g/cm 3)parHenryCavendishen1798,EdouardRoche
imagine,en1881,queleglobeterrestreestconstituédecoquillesemboitéesdedensitécroissante,delasurfacevers
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.
Lesenseignementsvenusduciel:lesmétéorites
Cefragmentde500kgdelamétéoritemétallique(feretnickel)deTamentit,donneuneidéedela
compositiondunoyaudelaTerre.CettemétéoritedécouverteenAlgérieauXIXesiècle,est
maintenantexposéeàVulcania.©JacquesKornprobst
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Lamétéoritepierreuse(ouchondrite)deHighPossilenÉcosse,seraitreprésentativedela
constitutiondumanteau,selonEdouardRoche.Lefragmentci-dessuspèse151g.L’assemblage,
constituéd’olivineetdepyroxènes(teintesvertes),estentouréd’unecroûtenoire,verrerésultant
delafusiondelasurfacedel’aérolithelorsdesonentréedansl’atmosphère.©TheHunterian ,
universitédeGlasgow,2012
Ci-dessus,onobserveunelamede109,7g.,extraitedelapallasited’Imilac,unemétéorite
découverteen1822dansledésertd’AtacamaauChili.Lescristauxd’olivinesonttransparentstandis
quel’alliagedeferetdenickel,totalementopaque,présentedesrefletsgris-bleuté.©Michael
Farmer,meteoritehunter,2012
Certaines météorites appelées lithosidérites (incluant lespallasites), ont des caractéristiques intermédiaires, entre
celles des « fers » et celles des « pierres ». Elles sont constituées decristaux d’olivine dispersés dans un agrégat
métallique. Probablement issues de petites planètes pulvérisées par des collisions, les pallasites ont parfois été
considéréescommel’imaged’unetransitionentremanteauetnoyauterrestre.
Structureduglobeterrestre:dunoyauàlacroûte
Laconceptiond’EdouardRochesurlaconstitutiondelaterre,aétévalidéeetaffinéeparplusd’unsiècled’étudedela
propagationdesondesgénéréesparlestremblementsdeterre.AndrijaMohorovicic,en1909,définitlalimitecroûtemanteau.Puis,en1914,BenoGutenbergdéterminelesfrontièresdumanteausilicatédontladensité(d)estcomprise
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entre3,3et5,5g/cm 3,etdunoyaumétallique(10<d<13g/cm 3).
Ci-dessus,unereprésentationdelastructuresismiqueduglobeterrestre.©ModifiéparJacques
KornprobstetChristineLaverne,BRGMetG&Bédition,2002
En 1936, Inge Lehmann et Keith Bullen montrent que le noyau est constitué d’une graine solide, entourée d’une
enveloppeliquidedanslaquellelesondesdecisaillement(ouondessismiquessecondaires),nesepropagentpas.Une
«zonedetransition»existeentre410et670kmdeprofondeur,entremanteausupérieuretmanteauinférieur:elle
est le lieu de transformations minéralogiques liées à l’augmentation progressive de la pression. Il faut noter que le
manteauestentièrementsolide;sapartiesupérieure,lalithosphèrequienglobeaussilacroûte,estrigideetconstitue
lesplaqueslithosphériques.
Le noyau est inaccessible. Mais plusieurs processus permettent à des fragments du manteau supérieur
d’arriverjusqu’àlasurface.L’étudedeleursmécanismesdemiseenplaceestunélémentmajeurdecompréhension
deladynamiqueduglobeterrestre.
Chapitre3/9-Comprendrelemanteausupérieurgrâceauvolcanisme
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’agitdepéridotites,constituéesprincipalementd’olivine(oupéridot)etdepyroxènes.Leurdensitéestde3,3g/cm 3.
Cesrochesressemblentbeaucoupauxmétéoritespierreuses;c’estpourquoiClarenceRossasuggéré,en1954,qu’il
s’agissedefragmentsarrachésaumanteausupérieurettransportésparleslavesjusqu’àlasurface.
Lespéridotites:enclavesdemanteausupérieurdanslesbasaltes
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Ci-dessus,onremarquedesenclavesdepéridotitesissuesdumanteausupérieur,danslesbasaltes
deSauterre(Puy-de-Dôme).©JacquesKornprobst
Ces péridotites contiennent généralement du spinelle (Mg,Fe)(Al,Cr) 2O4. Elles ont cristallisé sous des pressions
relativementfaibles,de1à1,5gigapascal(GPa),etproviennentdoncderégionspeuprofondesdumanteausupérieur
(40à50km),situéesimmédiatementsouslacroûtecontinentale.Plusrarement,onrencontredespéridotitesàgrenat
(Mg,Fe,Ca)3Al2Si3O12, quitémoignentdepressionsdecristallisationplusélevées(supérieuresà1,5Gpa)etsontdonc
issuesdeprofondeursplusgrandes(au-delàde70km).
Desassemblages«solides»:lesrochesmétamorphiques
Les arrangements mutuels des cristaux qui constituent les péridotites du manteau supérieur, sont typiques de
matériauxayantcristalliséàl’étatsolide.Ilnes’agitdoncpasderochesignéesouplutoniques,maisderochesdites
métamorphiques. Ces dernières ont parfois été fortement déformées. Le manteau supérieur est donc le siège de
mouvementstectoniques,quitémoignentd’unedynamiqueactivedecettecouche.
Ci-dessus,unepéridotited’Hawaï,oùles«jointstriples»entrelesgrains,typiquesdesroches
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cristalliséesàl’étatsolidesontvisibles.L’imageestobtenueàpartird’unelamemince(3/100demm
d’épaisseur;3X2cm)observéeenlumièrepolariséeanalysée(LPA).©FrançoiseBoudier
SurcettelamemincedepéridotiteduMassifcentral,observéeenLPA,onremarqueles«bandesde
pliage»danslesgroscristaux,etlarecristallisationdecesderniersenélémentsbeaucoupplus
fins.©FrançoiseBoudier
Lemanteauétantuneunitéentièrementsolide,laquestionseposedesavoird’oùviennentlesbasaltesquiportentles
enclaves de péridotites ? Ils ne peuvent pas venir du noyau externe, certes liquide mais entièrement métallique. Les
étudesexpérimentalesetthéoriquesindiquentquelaformationdesbasaltesrésulted’unefusionlocaleetpartielledu
manteau supérieur, liée à une décompression et/ou à un flux gazeux (vapeur d’eau ou gaz carbonique). La fusion
partielle du manteau se produit principalement au niveau desdorsales océaniques (zone de décompression) et des
zones de subduction (processus d’hydratation). Les domaines où la fusion partielle est active ne représentent qu’un
volumetrèsrestreintdel’ensembledumanteausupérieur.
Chapitre4/9-Lemanteausupérieuréjectéparlescratères
Les basaltes et les kimberlites, quand ils remontent à la surface de la terre, sont à l’origine de
phénomènesvolcaniques,telsquecratèresd’explosion(avecprojectionde«maars»)et«pipes» de
kimberlites.
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Ci-dessus,unepartiedel’anneaupyroclastiquedumaardeBouIbalrhatenedansleMoyen-Atlas
(Maroc).Chacunedescouchesducroissantrésultedesretombéesd’uneexplosion:lastructure
bréchiqueestbienvisibleàdroitedelaphotographie.Lesformationsinférieuresblanchessontdes
calcairesjurassiques.Lesélémentsducroissantpyroclastiquesont,outrelescalcaires,des
fragmentsdegranitehercynien,despéridotitesetdespyroxénitesàgrenatdumanteausupérieur.
©JacquesKornprobst
Lesprojectionsdescratèresd’explosion:les«maars»
Aucoursdeleurprogressionverslasurface,lesbasaltespeuventrencontrerl’eaudesnappesphréatiques.Lavapeur
qui résulte de cette rencontre provoque de violentes explosions qui pulvérisent les roches du socle et du manteau
supérieur.Lesfragmentsrocheuxsontprojetésàplusieurscentainesdemètresdehauteur.Enretombant,ilsforment
des anneaux pyroclastiques (ou croissants), qui cernent descratères appelés « maars », et dont certaines couches
sontrichesenpéridotites.
Àcôtédenombreuxfragmentsdepéridotitesàspinelle,lesanneauxpyroclastiquesdesmaarscontiennentparfoisdes
pyroxénites à grenat, sansolivine, dont l’origine se situe à une soixantaine de kilomètres de profondeur. Ils livrent
parfoisdespéridotitesàgrenat.
Les«pipes»dekimberlites:cheminéesvolcaniquesprofondémentenracinées
Dans le passé (il n’y a pas d’exemple historique particulier), des magmas particulièrement riches en eau et en gaz
carboniquesesontmisenplacedansdesdomainescontinentauxanciens(Afriquedusud,Sibérie,Canada,Australie,
etc.). Le caractère très explosif de ces magmas « kimberlitiques » s’est traduit par la formation de « pipes » ou «
diatrèmes»,cheminéesvolcaniquesrempliesdesdébrisarrachésaumanteauetàlacroûteparlesexplosions.
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Ci-dessus,unmodèledepipedekimberlite,basésurdiversexemplesd’Afriquedusudetdu
Bostwana(inspiréenpartiedeVolkerLorenz).©DR
LepipedeKimberleyenAfriquedusud,anciennecarrièreouverted’extractiondekimberlite,roche
richeendiamant.Seulelaminesouterraineestencoreenactivitéaujourd’hui.©AlanWoodland
Les fragments de manteau présents dans les brèches kimberlitiques sont presque toujours des éclogites (grenat +
pyroxènes) et des péridotites à grenat. La répartition du fer, du magnésium et de l’aluminium entre les différents
minérauxdecesroches,montrequebeaucoupd’entreellesontétééquilibréessousdetrèsfortespressions.D’après
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des mesures réalisées par Joe Boyd, sur des centaines d’échantillons d’Afrique du sud, du Bostwana et du Lesotho,
certainesauraientétésoumisesàdespressionsallantjusqu’à8GPa(correspondantàenviron250kmdeprofondeur).
L’espèceminéralecaractéristiqueassociéeauxkimberlitesestlediamant,formedehautepressionducarbone.
Chapitre5/9-Zonedetransitionetdynamiquedumanteau:kimberlites,diamants,
éclogites…
Les enclaves de péridotites et d’éclogites, portées par les basaltes, donnent une bonne image
minéralogiquedelapartietoutàfaitsupérieuredumanteau.Lesxénolithesdeskimberlites,quantà
elles,apportentdesinformationssurdesdomainesplusprofonds.
En1990,SteveHaggertyetViolaineSautter,ontobservédansdesgrenatsdeJagersfontein(Afriquedusud),defines
aiguillesdepyroxèneinterprétéescommedes«lamellesd’exsolution».Uneexsolutionestconstituéededeuxphases
non homogènes, issues d'une solution solide devenue instable, et présente la particularité de se séparer en deux
lamelles (lamelles d'exsolution), observables au microscope. Dans cette hypothèse,grenat et pyroxène ne formaient
initialement qu’une phase minérale unique et homogène. Cette dernière étant stable sous de très hautes pressions,
supérieures à 13 gigapascals (GPa), soit l’équivalent de 300 à 400 km de profondeur. Cette « solution solide »
constituaitungrenat«majoritique»:unminéralinconnuàlasurfacedelaTerre ,maisdontl’existenceavaitdéjàété
prévueparlestravauxexpérimentauxdeTetsuoIrifuneetTedRingwood,en1987.
Ci-dessus,représentationd’unesectionpolied’ungrenat(rose)deskimberlitesdeJagersfontein.Il
estconstelléd’aiguillesdepyroxène(vert),exsudéesparungrenatmajoritiqueinitial,aucoursd’une
phasededécompression.Lesgrandscristauxdepyroxèneontétéexsudéslatéralementparle
grenat,commelesuggèrel’absenced’aiguillesenleurvoisinage.©D’aprèsSteveHaggertyet
ViolaineSautter,1990
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Cediagrammeprésentelacompositionminéralogiquedumanteau,enfonctiondelaprofondeur.La
significationdesabréviationsestlasuivante:Gt,grenat;MjGt,grenatmajoritique;Px,pyroxène;
Mw,magnésiowüstite;Ca-per,pérovskitecalcique;MS,manteausupérieur;Z T,zonedetransition;
MI,manteauinférieur.Laflèchebleuesouligneladécompressionsubieparungrenatmajoritique,
conduisantàl’exsolutiondupyroxène.©DR
Desdiamantsdansleskimberlites
Leskimberlites sont la source desdiamants. Ceux-ci sont contenus par les éclogites et les péridotites, et dispersés
dans les brèches au cours des explosions. Le diamant n’est stable qu’à partir de 180 ou 200 km de profondeur, et
probablementjusqu’aunoyau.Remaniésparl’érosion,desdiamantssetrouventdansdesalluvionsquiconstituentdes
«placers».
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Ci-dessus,quelquesdiamantsrécoltéssurunprospectauCameroun.©GillesChazotetJacques
Kornprobst
Ci-dessus,uneinclusiondegrenatdansundiamantde2mmdediamètreentailleréelle.©Stephen
Richardson,universitédeCapeTown
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Ci-dessus,uneinclusiondeclinopyroxène.©AGSLaboratories
Trèsrésistantsettrèspeudéformables,lesdiamantscontiennentdesinclusionsquisontprotégéesdel’altérationet
de la contamination extérieure. En les datant par les méthodes rhenium-osmium et samarium-néodyme, Steve
Richardson a montré que l’association « éclogitique » (grenat + clinopyroxène) ne s’observe que dans les diamants
dont l’âge est inférieur à 3 milliards d’années. En revanche, l’association « péridotitique » (olivine + grenat +
clinopyroxène+orthopyroxène)peutêtreplusancienne.Pourquoicettedifférence?
Eclogitesetsubduction:circulationenboucledanslemanteau?
DepuisIanMcGregoretWilliamMantonen1986,l’onsaitquecertaineséclogitessontcaractériséespardesrapports
isotopiques de l’oxygène (18O/16O) anormalement faibles, qui ne sont pas ceux habituellement mesurés dans les
rochesdumanteausupérieur.Cesvaleurssontaucontraireobservablesdanslesrochesdelacroûteocéaniques,qui
ontsubiunealtérationhydrothermaleauvoisinagedesdorsalesocéaniques.Surcettebase,ilestadmisquecertaines
éclogitessoientissuesduplancherocéanique:entraînésenprofondeurparlasubduction,desbasaltesaltérésauraient
recristalliséàtrèshautepressionsouslaformedel’associationclinopyroxène+grenat.
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Ci-dessus,uneéclogitediamantifère(grenatorange,clinopyroxènevertetquartz),deRobertsVictor
Mine enAfriquedusud.©AlanWoodland
Dans cette perspective, lesdatations de Steve Richardson prennent beaucoup d’importance. Elles signifient en effet
que la subduction, élément essentiel de la dynamique desplaques lithosphériques et nécessaire pour amener en
profondeur des éléments de la croûte océanique, n’aurait commencé à fonctionner que 3 milliards d’années avant
notreère.C’estàdire1,5milliardd’annéesaprèslanaissancedenotreplanète.
Circulationdelacroûteocéaniquealtéréedanslemanteau,oùlesbasaltessetransformenten
éclogites.CeschémaestinspirédeClaudeAllègreetDonaldTurcotte.©Modifiéd’aprèsJacques
KornprobstetChristineLaverne,QUAEéditions,2011
Les analyses menées sur les diamants confirment l’origine superficielle de certaines éclogites. En effet, les faibles
valeursdesrapportsisotopiques13C/12Cdecertainsdiamantssuggèrentquecescristauxsesontdéveloppésàpartir
decarboneléger,d’originepartiellementorganique,etdonchéritédelasurfacedelaTerre.
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Chapitre6/9-Orogenèse:chaînesdemontagnesetmassifsmantelliques
Desmassifsdepéridotitessontprésentsdansdenombreuseschaînesdemontagnes.L’étudedeleur
composition et de leur place dans l’orogenèse (mécanismes de formation des chaînes), permet de
mieux comprendre les mouvements lithosphériques (extension et compression) ayant amené ces
rochesdumanteausupérieurjusqu’àlasurface.
Recensés depuis le 18 e siècle et désignés comme « alpinotypes », les massifs de péridotites sont connus dans de
nombreuseschaînes de montagnes. En 1957, sur la base de leur composition minéralogique (olivine, pyroxènes,
spinelleougrenat),WillemdeRoeveraconsidérécesmassifsdepéridotitescommeissusdumanteausupérieur.
Lacarteci-dessusprésentelarépartitiondesprincipauxmassifsdepéridotites(envert)dansles
chaînesalpinesetlelongdelamargedeGalice.Cesmassifsconstituentdesalignementslelong
d’accidentsmajeurs:ligneinsubrienneetzonenord-pyrénéenneparexemple.©DR
LemassifdeLherzenAriège,sesitueauseindescalcairesdelazonenord-pyrénéenne.©Photo
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Structuresetdéformationsdesmassifsdepéridotites
Lesmassifsnesontpashomogènesetmontrentdemincesniveauxdepyroxénites,souventàgrenat,insérésdansles
péridotites. Ces dernières sont généralement à spinelle, plus rarement à grenat. Cette association rappelle celle
observéedanslesenclavesdesbasaltes(péridotites)etdeskimberlites(éclogites).
Surcesphotos,onremarquel’alternancedepyroxénitesàgrenatetdepéridotitesàspinelledansle
massifdesBeniBousera(Rif,Maroc).©JacquesKornprobst
Desplisisoclinauxetdesfoliationsmontrentquedesdéformationsintensesdehautetempérature(900à1.100°C)ont
affectécesunités,avantleurinsertiondansleschaînes,parconséquentauseindumanteausupérieur.
UnpliisoclinalaffectantunepyroxénitedanslemassifdesBeniBousera.©JacquesKornprobst
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Ci-dessus,unefoliationdehautetempératuredansunepéridotitedesBeniBousera,observéeen
lumièrepolariséanalysée;lamed’environ2cmdelongueur.©JacquesKornprobst
Orogenèseetrecristallisationdesmassifs
Lesdéformationsdesmassifssontassociéesàdesrecristallisations,dansdesconditionsdetempératureallantde800
à1.100°C,etdepressionde1GPa,comparablesàcellesquicaractérisentlesenclavesdesbasaltes.Cesdéformations
épargnentparfoisdesreliquesd’assemblagesminéralogiquesquitémoignentdetempératures(jusqu’à1400°C)etde
pressions(jusqu’à6Gpa)beaucoupplusélevées,quimontrentquelesmassifsquilescontiennentsontissusderégions
dumanteausupérieursituéesàplusde185kmdeprofondeur.
Laréorganisation(oudémixtion)d’unpyroxèneinitialdetrèshautetempérature(1.400°C)issudu
massifdesBeniBousera,setraduitparunealternancedebandesjaunes(clinopyroxène)etgrises
(orthopyroxène).Imageenlumièrepolariséeanalyséed’unelamesd’uncmdelongueur.©Jacques
Kornprobst
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Ladémixtiond’unpyroxènedehautetempérature(1.400°C)provenantdumassifdeFreychinèdeen
Ariège,setraduitparl’alternancedebandesnoires(grenat)etoranges(clinopyroxène).Imageen
lumièrepolariséeanalyséed’unelamed’uncmdelongueur.©JacquesKornprobst
CediamantdumassifdesBeniBouseraaététransforméengraphiteenconservantsaforme
octaédriqueinitiale.©D.GrahamPearson,universitéd’Alberta,Canada
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Dansunepéridotited’OtroyenNorvège,onobserveladémixtiond’ungrenatdetrèshautepression
(majorite)engrenatetbaguettesd’orthopyroxène.©HermanvanRoermund,universitéd’Utrecht,
PaysBas
Massifsdepéridotites:miseenplaceparextensionpréalable
Leprocessusd’extensionlithosphérique,etdoncl’amincissementdelacroûteetdelalithosphère,amènedesunités
mantelliquesprèsdelasurface.Cesdernièressontalorsenbonnepositionpourêtreimpliquéesdanslescharriages,
lorsdesphasesdecompressionlithosphérique.
CeschémaillustrelesmécanismesdemiseenplacedesmassifsdesBeniBouseraetdeRondadans
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l’orogènebético-rifain.Unephased’extension(enhaut),permetàdesunitésprofondesdumanteau
supérieurdes’approcherdelasurface,parexhumation.Puis,unephasederaccourcissement(en
bas)provoquelecharriagedecesunitéssurleszonesplusexternes.©D’aprèsJacquesKornprobst
etDanielVielzeuf,1984
Leseffetsdel’extensionpeuventêtrereprésentésparunmodèleexpérimentalincluantundispositif
àquatrecouches.Dehautenbas,ondistingue:lacroûtesupérieurefragileetlacroûteinférieure
ductile,lemanteausupérieurfragileetlemanteausupérieurductile.©Jean-PierreBrunetMarieOdileBeslier,1996
Unemiseenplacedirectedepuisdesdomainesprofondssetraduitparuneforteanomaliethermiquedanslacroûte,
comme à Beni Bousera et à Ronda. Les effets d’une ascension en plusieurs épisodes sont moins marqués dans
l’encaissant(lireausujetdesPyrénéesetd’Otroy,lesécritsdeJacquesFabrièsetHermanvanRoermund).
Chapitre7/9-ExplorationdumanteausupérieuravecleJOIDESResolution
Lorsque l’extension de la lithosphère se prolonge, elle aboutit à la rupture continentale et à une
importante fusion partielle du manteau supérieur ascendant. Alors, une croûte océanique basaltique
se forme, qui, généralement, recouvre entièrement le manteau sous-jacent. C’est pourquoi les zones
profondes des marges continentales sont généralement mal connues, d’autant qu’au fil des temps,
ellessontrecouvertespard’épaissédiments.
Entre Portugal et océan Atlantique, la marge de Galice est une exception. Soulevée au cours de la formation des
Pyrénées,elleaéténettoyéedesessédimentsrécentsparl’érosion.Desformationsprofondesyaffleurentet,dece
fait,cettemargeestl’objetd’étudesapprofondiesdepuisplusdequaranteans.
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Ceschémareprésenteleprocessusdeformationd’unrift,àl’originedel’océanisation.L’extension
progressivedelalithosphèreconduitàlarupturecontinentale.©D’aprèsGilbertBoillot,2003
Entre Portugal et océan Atlantique, lamarge de Galice est une exception. Soulevée au cours de la formation des
Pyrénées,elleaéténettoyéedesessédimentsrécentsparl’érosion.Desformationsprofondesyaffleurentet,dece
fait,cettemargeestl’objetd’étudesapprofondiesdepuisplusdequaranteans.
Lacolline5100delamargedelaGaliceseraunlieud’explorationprivilégié,pourleNoroitetleJOIDES
Resolution .©DR
LamargedeGalice:unerideentrecontinentetocéan
En1978,GilbertBoilloteffectue,avecleNoroitdel’Ifremer,unecampagnedesismiqueparréflexion,surlamargede
Galice,surdesfondsde5.000m,situésà300kmdelacôteibérique.Lasismiqueparréflexion (sismique réflexion),
technique héritée de l’industrie pétrolière, est fondée sur l’émission de puissantes ondes sonores et sur
l’enregistrement de leurs échos. Elle permet de mettre en évidence les structures inaccessibles, en dessous dufond
marin.L’objectifdecettecampagneestd’apporterdenouvellesdonnéessurunreliefallongé(appeléride),situésous
lessédimentsrécents,etquicourtdunordausud,aupieddutaluscontinentaldubancdeGalice(voircarteci-dessus).
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Leprincipedelatechniquedesismiqueréflexionestlesuivant:lesondesémisesparlasource
sismiquesontréfléchiesetréfractées,puisreçuesparleshydrophones.Letraitementdessignaux
permetderestituerlastructuredufond.©ExtraitdeKornprobstetLaverne,QUAEéditions,2011
Les investigations duNoroit confirment les observations réalisées par Lucien Montadert sur le navire scientifiqueLa
Florence de l’Institut français du pétrole (IFP). La ride, submergée au nord par des sédiments, émerge au sud. Elle
formeainsiunpetitreliefquidominede200mètreslaplaineabyssale:lacolline5100!Cettedernièreconstitueune
occasionprivilégiéedeconnaîtrelanaturedesmatériauxquiconstituentcetteride.GilbertBoillotdécidealorsdetenter
undragageavecleNoroit.
Lacolline5100:unbeaucoupdedrague
Ladraguecrocheenpleinsurlacollineetremonteunebouecollante.Déception?Nonfinalement!
Ceprofildesismiqueréflexion,tiréparLaFlorence del’IFP,faitapparaîtrel’émergencedelarideaudessusdufondmarin.©D’aprèsLucienMontadert,1977
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Unbeléchantillonnagedeboueetderochesrapportéesdelacolline5100.©ExtraitdeKornprobstet
Laverne,QUAEéditions,2011
JacquesKornprobstidentifiedanslabouerapportéedelacolline5100touslesélémentsd’unepéridotiteàplagioclase,
qu’ilattribueaumanteausupérieursous-continental.Larideest-elleuneunitémantelliquedebassepression?S’agit-il
de la lithosphère continentale effilée durant l’extension, ou bien de la nouvelle lithosphère atlantique ? Autant de
questions,auxquellespourrarépondrel’explorationavecleJOIDESResolution.
LeJOIDESResolutionsurlacolline5100
GrâceauximportantsrésultatsobtenusavecleNoroit, Gilbert Boillot obtient unforage ODP (Ocean Drilling Program )
sur la colline 5100. Ce dernier a lieu du 28 avril au 4 mai 1985 : c’est le puits 637A du leg 103, foré par leJOIDES
Resolution.GilbertBoillotetJacquesGirardeauétaientàbord.
Àgauche,leJOIDESResolution enmer,estenstationetprêtàforer.©JohnBeck,IODP-TAMU.À
droitele«log»duforage637A.Leszonesenblancsontdesportionsnoncarottées.©D’après
Boillot,Wintereretal.,1987
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Lepuitsestforéà5millesaunorddelacolline5100,parplusde5.000md’eau.Iltraverse180mdesédimentsde
périodes récentes : 100 m de Pléistocène, 60 m de Pliocène et 20 m de Miocène supérieur. Puis, il passe par une
trentainedemètresd’argilescontenantdesfragmentsdeserpentine.À212msouslefond,ilentredanslarideellemêmequ’ilvaforerjusqu’à278m:36mdecarottessontrécupérées.Cescarottessontconstituéesdepéridotites
plusoumoinsserpentinisées.C’estpeumaisc’estbeaucoupmieuxquelabouedudragagerécupéréeavecleNoroit.
L eJOIDES Resolution reviendra sur les lieux en 1993, au cours du leg 149. Les puits 897, 899 et 900 fourniront de
nouvellesmoissonsd’échantillons.
Lemanteausupérieurestbienlà!
L’étude des échantillons du site 637, confirme et précise l’interprétation proposée après le dragage : la colline 5100
constituebienunaffleurementdemanteausupérieuraupieddutaluscontinentaldelamargedeGalice.
Cynthia Evans et Jacques Girardeau apportent des données nouvelles sur les déformations et les recristallisations
subiesparlespéridotitesaucoursdeleurmiseenplace,tandisqueJacquesKornprobstsefocalisesurl’apparitiondu
plagioclase(feldspathcalco-sodique),témoindeladécompressionaucoursdelaremontéeverslasurface.
Ci-dessus,unepéridotiteaffectéeparunedéformationschisteusequiétiredegrandscristauxde
pyroxène(gris),aucoursdesdernièresphasesdemiseenplace.Hauteurréelledelaphoto:3cm.©
JacquesKornprobst
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Onobservelarésorptionduspinelle(Sp),enréponseàuneréactiondedécompressionquiimplique
l’apparitionduplagioclase(Pl).Longueurréelledelaphoto:2mm.©JacquesKornprobst
Surlabasedelacompositiondeleursminéraux(notammentdespyroxènes),JacquesKornprobstconsidèrequeces
rochesappartiennentaubiseaucontinentaletnonàlanouvellelithosphèreocéanique,beaucoupmoinsricheendivers
éléments (Ca, Al, Na, par exemple). Ceci vient confirmer que la colline 5100 est située en plein sur latransition
continent-océan.
Chapitre8/9-ExplorationgéologiquedesfondsmarinsavecleNautile
Les forages en mer apportent des données capitales sur les matériaux traversés. Ces informations
sontparnaturetrèsponctuelles,etilestdifficiled’endéduirelesrelationsgéométriquesquiexistent
entrelesdifférentesunitésconstituantunensemblegéologique.Lessubmersibles,commeleNautile,
permettentd’effectuerdescoupesetcartographiesdufond.
C’estpourcesraisonsqueGilbertBoillotaréussiàobtenir,enplusd’unforageavecleJOIDESResolution (voirchapitre
précédent),unecampagnedesubmersible.Unepremièrecampagne,dénomméeGalinaute,aainsieulieuenjuinet
juillet1986avecleNautile,portéparleNadir.Puis,lamissionGalinauteIIs’estdérouléeenjuilletetaoût1995.
Miseàl’eauduNautile del’Ifremer,parleportiqueduNadir,lorsdelamissionGalinauteII.On
distingueàl’avantlasphèredetitanepercéedetroishublots,ainsiquelesdiversprojecteurset
appareilsdeprisedevue.Lespetitssacsenjutesurlecôtécontiennentdelalimailledefer(lelest
perdu).©JacquesKornprobst,Ifremer
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Aucoursdecesopérations,37plongéesontétéeffectuéesetplusde250échantillonsontétérécupérés.Outredes
péridotites,ontétéprélevésdespyroxénites,desbasaltes,desgabbros(équivalentsgrenusdesbasaltes),desroches
métamorphiquesetdesgranites.
LeNautile:observerlesaffleurementsdelamargedelaGalice
Installé très inconfortablement dans leNautile, le scientifique observe les affleurements du fond à travers un petit
hublot.Ilpeutfairedescommentairesenregistrésparunmagnétophone,etprendretouteslesphotosqu’ildésire.Une
caméra-vidéotournelascène.
Ci-dessus,lesimagesdelaplongée14delacampagneGalinaute,effectuéesparleNautile en1986.
Onremarquedespéridotitesschisteusesrecoupéesparunfilondedolérite,dontlabordure(à
droite)estprisméeparrefroidissementbrutal.©JacquesKornprobst,Ifremer
PréleverlesrochesavecleNautile:basaltes,péridotites…
Le pilote peut manipuler un bras articulé muni d’une pince, pour arracher des échantillons aux affleurements, action
souvent difficile. Il place ces cailloux dans un panier situé à l’avant de la sphère. Simultanément, afin d’éviter les
confusions,lechercheurdécritsuccinctementchacundesprélèvements.
OnobservesurcesphotosréaliséesparleNautile pendantlacampagneGalinauteen1986:à
gauche,desbasaltesencoussins(plongée15);àdroite,un«banc»depyroxénitedansles
péridotites(plongée14).©GilbertBoillotetJacquesKornprobst,Ifremer
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CesphotosproviennentdescampagnesGalinauteIetII,duNautile .Àgauche:unpilotes’apprêteà
préleverunéchantillondepéridotite(plongées14).©JacquesKornprobst,Ifremer.Àdroite:lapince
asaisiunénormeblocdegranitoïde(plongée21).©VéroniqueGardien,Ifremer
Le challenge est de prélever des échantillons « en place ». Des contrevenants à ce principe ont parfois rapporté en
surfacedesbriquettesdecharbonprovenantdesanciens«steamers»!
Interpréterlesfaits:unezonedetransitioncontinent-océan
Laride,identifiéeinitialementaupieddelamargedelaGalice,aétéfréquemmentappelée«rideultramafique»,après
la mise en évidence des péridotites de la colline 5100. La cartographie de la partie nord de cette ride, au cours de
GalinauteIetII,amontréqu’ils’agissaitenréalitéd’unensemblecompositecomportantbeaucoupdepéridotites,mais
aussidesgabbros,pyroxénites,doléritesetbasaltes.
Ci-dessus,unecartegéologiquedelaride,aunord-ouestdubancdeGalice.©D’aprèsKornprobstet
al.,2007
GrâceauxcontributionsessentiellesdeSophieCharpentieretGillesChazot,lesétudespétrologiques,géochimiqueset
isotopiques menées sur ces différentes roches confirment l’appartenance des péridotites au manteau lithosphérique
sous-continental.Enrevanche,lacompositiondesbasaltesetdoléritesestunintermédiaire,entrecelledestholéiites
continentalesetdesbasaltesocéaniques.LarideaupieddelamargedelaGalicereprésentedoncbienunetransition
pétrologiqueetgéochimiqueentrelecontinenteuropéenetl’océanAtlantique.
Etmaintenant,prêtspourl’aventure?
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ÀbordduNautile ,lorsdelamissionGalinauteII.©GilbertBoillot,Ifremer
LesscientifiquesdeGalinauteIIsaventaussis’amuserdansleNautile…©GilbertBoillot,Ifremer
Mes remerciements à : Adrienne Beaugeon, John Beck, John Birdsell, Georges Bronner, Gilbert Boillot, Françoise
Boudier, Sophie Charpentier, Gilles Chazot, Michael Farmer, Véronique Gardien, Jacques Girardeau, Steve Haggerty,
Ifremer,JérômeKornprobst,ChristineLaverne,LMV,VolkerLorenz,GlendaMarshall,LucienMontadert,AdolpheNicolas,
GrahamNisbet,OPGC,MikeO’Hara,GrahamPearson,Jean-PaulPoirier,éditionsQUAE,SteveRichardson,Hermanvan
Roermund,ViolaineSautter,Vulcania,AlanWoodland.
Chapitre9/9-DécouvrirlelivreÀlaconquêtedesgrandsfondsdeJacques
Kornprobst
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Le livre À la conquête des grands fonds, de Jacques Kornprobst et Christine Laverne, est à découvrir
auxEditionsQuæ .
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À quoi ressemble le sous-sol des abysses ? Quelles sont la nature et la structure des matériaux qui le composent ?
Quels engins ont-été inventés pour observer cet immense territoire, longtemps inaccessible aux géologues et aux
géographes?Celivreproposeunvoyagedansl'histoiredestechniquesquiontpermisl'observationdufonddelamer
depuislasurface,etaveclessubmersibles.
Uneaventureétonnanteillustréeparunecentained'aquarellesquimettentenscènelesinstrumentsdemesure,les
navires anciens ou récents, les submersibles, les marins et les scientifiques au travail. Des cartes bathymétriques et
géologiquesétayentlesproposdesauteurs.
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