le manteau terrestre 1. manteau
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LE MANTEAU TERRESTRE 1. MANTEAU : PRODUIT DE LA DIFFÉRENCIATION PLANÉTAIRE 2. STRUCTURE PROFONDE DU MANTEAU 3. DYNAMIQUE DU MANTEAU. CONVECTION. LITHOSPHÈRE RELATION AVEC LA CROÛTE LE MANTEAU TERRESTRE 1. MANTEAU : PRODUIT DE LA DIFFÉRENCIATION PLANÉTAIRE La compréhension de la composition du manteau terrestre passe d!abord par une bonne vision de la différenciation de la Terre T = 0 (-4.567 Ga) T = quelques centaines de milliers d!années T = quelques millions d!années T = env. 50 millions d!années ABONDANCES COSMIQUES Terre et planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre-Lune, Mars) Fe, Mg, Si, O + Al, Ca, Na, Ni + tous les autres Chondrites = matériel indifférencié assez représentatif des planètes telluriques l’astéroïde Ida une chondrite COMPOSITION CHIMIQUE Fe, Mg, Si, O + Al, Ca, Na + tous les autres MINÉRAUX 1)Fer et 2) silicates magnésiens ROCHE (chondrite) Lame mince de chondrite Taille des chondres " 1 mm DIFFÉRENCIATION Un résultat tangible de la différenciation planétaire : les météorites de fer Des témoins des interfaces planétaires entre manteau et noyau: les pallasites. Taille des olivines " 1 cm ETAT FINAL env. -4.45 Ga) Manteaux. Terre et planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre-Lune, Mars) Mg, Si, O, Fe + Al, Ca, Na + tous les autres COMPOSITION CHIMIQUE Mg, Si, O, Fe + Al, Ca, Na + tous les autres MINÉRAUX Olivine, pyroxène, spinelle ou grenat ROCHE La péridotite ROCHES DU MANTEAU: PÉRIDOTITES A l!affleurement; ex : Oman, Nouvelle Calédonie, ou de manière plus localisée Alpes, Pyrenées, etc… INFORMATIONS APPORTÉES PAR LES MATERIAUX REMONTÉS DE GRANDES PROFONDEURS Roches profiondes Diamants: venant de 700 km Roches fondues (magmas) Problème de la composition chimique exacte - Terre inaccessible (noyau, essentiel du manteau) - Matériau initial (diversité des chondrites) SUJETS DE RECHERCHE - Composition de l!ensemble du manteau (Mg/Si, hétérogénéités latérales…) - Propriétés physico-chimiques d!ensemble (déformation, fusion,…) - Expériences de différenciation de chondrites LE MANTEAU TERRESTRE 2. STRUCTURE PROFONDE DU MANTEAU Notre connaissance objective des matériaux internes repose sur des modèles sismologiques… … couplés avec l’expérimentation qui démontre la nature de silicate magnésien du manteau pris dans son ensemble. Birch, J. Geophys. Res. 57, 227 (1952) Donnée sismologique: Distributions de vP , vS , ! en fonction de la profondeur Démarche expérimentale Compression avec une cellule diamant diamant échantillon joint Taille ! 100 µm diamant Laser annexe qui chauffe l'échantillon Sample DIAMOND Ruby 100 µm Pressure transmitting medium GASKET DIAMOND spectrum of thermal emission Intnesity T wavelength IR laser M Loi de Birch MANTEAU La connaissance de vP(z) donne !(z) : vP = - 1.87 + 3.05 ! DONNÉES - Silicates magnésiens - Connaissance précise de la densité (masse volumique), de g, de la pression à toute profondeur. On ne sait malheureusement pas encore mettre en évidence d!éventuelles différences de composition avec la profondeur ni interpréter en termes de composition les hétérogénéites latérales dans le manteau En revanche, on connaît un effet important en fonction de la profondeur: les discontinuités sismiques (voir bloc diagramme au tableau) Notions de manteau supérieur, manteau inférieur, zone de transition, couche D” Distributions de vP , vS , ! en fonction de la profondeur Discontinuités sismiques Olivine (Mg,Fe)2SiO4 SiIV Wadsleyite (Mg,Fe)2SiO4 modified spinel P Ringwoodite (Mg,Fe)2SiO4 spinel structure SiIV Perovskite structure (Mg,Fe)SiO3 SiVI SiIV P + (Mg,Fe)O Distributions de vP , vS , ! en fonction de la profondeur Discontinuités sismiques = (parfois) transformations de phases = Thermomètres profonds Diagramme de phases du manteau (au tableau) Géotherme (thermobarométrie) Ancrage des températures Effets topographiques Convection et conduction Température en fonction de la profondeur CONV COND CONV COND Etude des hétérogénéités latérales de T et composition le principe de la tomographie sismique: un “scanner” pour voir des coupes du manteau IMAGES TOMOGRAPHIQUES DE L’INTERIEUR DE LA TERRE R. Van der Hilst (MIT) SUJETS DE RECHERCHE - Effets de T et de chimie liés aux discontinuités - Recherche de nouvelles discontinuités et interprétation - Interprétation des hétérogénéités latérales en termes de température et de composition chimique. LE MANTEAU TERRESTRE 3. DYNAMIQUE DU MANTEAU. CONVECTION. LITHOSPHÈRE RELATION AVEC LA CROÛTE Convection dominée par des panaches froids descendants Fosse Plaque subductée Les variations de vitesse des ondes P corrèlent avec la température (et/ou la composition?) dans le manteau Vitesse des ondes P plus lente: matière plus chaude Vitesse des ondes P moyenne: température moyenne Vitesse des ondes P plus rapide: matière plus froide La convection du manteau supérieur: le mécanisme de la tectonique des plaques Convection planétaire et lithosphère Lithosphère Manteau supérieur Noyau (3500 km) Manteau (2900 km) Au tableau Déformation des roches Viscosité des roches Couche limite Epaisseur de la lithosphère (épaississement et refroidissement) Notions d!asténosphère, de LVZ Sur Terre, la lithosphère est découpée en plaques Peter W. Sloss, NOAA-NESDIS-NGDC Convection mantélique + découpage lithosphérique = Tectonique des plaques (échanges interne-externe) Vénus: images optique et radar : Une tectonique de grands panaches. Pas de tectonique des plaques Mars non plus n’a pas ou n’a plus de tectonique des plaques Importance des échanges internes/externes Exemple : régulation de O2 par l’hydrothermalisme océanique Croûte continentale Fe3+ = 4 à 5.9x1020 kg Oxydation du Fe(II) Fe(III) = 0.22 Fe (II) Fe(III) = 0.07 Fe (II) D’après Lécuyer et Ricard (1999) Volcanisme associé : Dorsales Genèse de la croûte océanique Interprétation en termes de diagramme de phases du manteau (au tableau) Fractionnement des éléments incompatibles Dorsales lentes et rapides POINTS CHAUDS Observations (découplage de la tectonique des plaques) Mécanique des fluides (couches limites thermiques) Echantillonnage profond Contribution au flux de chaleur Tête et Queue. Grandes provonces ignées (traps) Nouveaux océans Fusion partielle du manteau et croûte continentale (granitique) Discontinuité de Mohorovicic (Moho) Rôle de l!eau liquide Zone de subduction océan-continent Interprétation en termes de diagramme de phases du manteau (au tableau) Rôle majeur de l!eau structurale Apport de nouvelle matière à la croûte continentale (les volcans d!arc qui après des épisodes multiples contribueront à faire de la nouvelle croûte continentale = granit) Compense la perte de sédiments (dûs à l!érosion) en subduction Exemple : la plaque indienne subducte sous la plaque asiatique -60 millions d’années Collision continentale : fabrication de la véritable nouvelle croûte continentale -10–20 millions d’années Age moyen de la croûte continentale Ancienneté de la croûte continentale Extraction des éléments fortement incompatibles Notions de manteau appauvri et de manteau primitif. SUJETS DE RECHERCHE - Validation et observation de ces concepts sur le terrain - Histoire (en particulier mise en place) - Planétologie comparée - Compréhension de la convection Terrestre (matériaux, modèles) L’intérieur de la Terre et des Planètes. Agnès Dewaële et Chrystèle Sanloup. Belin sup 2005 La Terre Interne. Roches et Matériaux en Conditions Extrêmes. Fabrice Brunet, Denis Andrault et Gilles Chazot. Société Géologique de France. Vuibert 2007 Les profondeurs de la Terre. Jean Paul Poirier. Masson Introduction to the Physics of the Earth’s Interior. Jean-Paul Poirier. Cambridge University Press 1991.
