DORSALES OCÉANIQUES

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Structure profonde des dorsales

Le phénomène majeur à l'axe des dorsales est la création de la croûte et de la lithosphère. Les processus physiques et chimiques qui permettent d'extraire du magma à partir du manteau supérieur et de créer la croûte océanique sont encore très mal connus. Et, surtout, l'existence à l'axe de la dorsale d'une zone d'accumulation de magma – chambre ou réservoir magmatique – à l'intérieur de la croûte est loin d'être démontrée partout. Au milieu des années 1970, l'image d'une chambre magmatique permanente et bien développée au centre de la dorsale est communément admise. L'étude des ophiolites, fragments d'anciennes croûtes océaniques incorporés aux continents dans les chaînes de montagnes révèle l'importance des phénomènes de cristallisation pour la formation d'une épaisse couche de gabbro que l'on identifie à la couche 3 définie par la sismique dans les océans. Depuis 1980, l'hypothèse de la chambre magmatique axiale est remise en question. Au niveau des dorsales lentes, il n'existe aucune donnée géophysique claire mettant en évidence l'existence d'une chambre magmatique crustale. Les hétérogénéités géochimiques sur de courtes distances sont également difficiles à concilier avec la présence de chambres bien développées. Pour les dorsales rapides, des études sismiques ont montré l'existence d'une atténuation des ondes de cisaillement et d'anomalies de propagation des ondes de compression, ainsi que la présence d'une couche à faible vitesse intracrustale avec, à son toit, un réflecteur très énergétique. La chambre magmatique définie par ces données est néanmoins beaucoup plus petite que ne le laissaient supposer les études des ophiolites ; même pour ces dorsales rapides, la variabilité géochimique est forte.

À l'axe de la dorsale du Pacifique est, où les expériences sismiques ont été les plus détaillées et aussi les plus convaincantes, le réflecteur révélé par des profils de sismique réflexion multitrace est situé entre 1,4 et 2,5 km sous le fond de l'océan. La largeur de la chambre magmatique n'excède pas 2,8 km d'après les données de sismique réfraction. Le réflecteur axial est loin d'être continu : il montre des discontinuités liées à la segmentation de la dorsale. Les études sismiques indiquent également que la croûte jeune est marquée par des vitesses très faibles à son toit. Ces dernières s'expliquent sans doute par la fissuration intense de la croûte, qui favorise la circulation des fluides et les échanges hydrothermaux. Une importante limite dans la distribution verticale des vitesses sismiques, à 1,4-1,5 km, marque le passage du complexe filonien (sheeted dyke) au gabbro isotrope, c'est-à-dire la limite entre les couches 2 et 3 définies par la sismique réfraction. Cette zone correspond aussi au toit de la chambre magmatique. William Purdy, du Woods Hole Oceanographic Institute, a mis en évidence en 1990, par des expériences de tomographie sismique, l'existence de domaines de croûte supérieure où la vitesse de propagation des ondes de compression est très hétérogène. Il est possible que cela traduise une variabilité très grande dans l'épaisseur des laves alimentées par le complexe filonien et que certains domaines soient complètement « amagmatiques », avec un complexe filonien affleurant, même dans le cas des dorsales à accrétion rapide. La présence de chambres magmatiques de petite taille et discontinues est également compatible avec les données de flux de chaleur et les modèles thermiques des dorsales si l'on tient compte de la perte de chaleur considérable liée à la circulation de fluides hydrothermaux. En effet, un seul fumeur noir (black smoker), point de décharge hydrothermale à haute température, est capable d'évacuer autant de chaleur par an (25 . 107 W) que celle qui est nécessaire au refroidissement du magma mis en place sur un segment de dorsale de 2 kilomètres de longueur accrétant au taux de 8 centimètres par an. Il est donc essentiel de tenir compte de ces puits de chaleur, qui interdisent l'existence de chambres magmatiques de grande taille.

Chambre magmatique de la dorsale du Pacifique est

Diaporama : Chambre magmatique de la dorsale du Pacifique est

Géométrie de la chambre magmatique à l'axe de la dorsale du Pacifique est. En a, un modèle de vitesses des ondes sismiques dans la croûte océanique déduites des expériences de sismique-réflexion et réfraction. Ces vitesses sont indiquées sur la figure en km/s. La région la plus sombre... 

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Le manteau sous la dorsale

Il y a peu de renseignements directs sur la structure profonde des dorsales. La pétrologie et la géochimie des laves et des péridotites apportent cependant des contraintes sur la composition du manteau (source des magmas mis en place à l'axe des dorsales) et sur les conditions physiques des premiers stades de sa fusion. Dans les zones de divergence des plaques, le manteau asthénosphérique remonte rapidement, sans échange significatif de chaleur (remontée adiabatique) si le taux d'accrétion n'est pas trop lent – supérieur à 0,5 cm par an – et commence à fondre en produisant du magma. Emily Klein et Charles H. Langmuir, du Lamont-Doherty Geological Observatory, ont pu montrer en 1987 que la systématique de la chimie des laves émises aux dorsales pouvait se relier simplement à la profondeur de la dorsale, à l'épaisseur de la croûte et à la température de l'asthénosphère. Dan McKenzie, de Cambridge University, et Michael Brickle, d'Oxford University, ont développé une théorie de la fusion mantellique et montré l'importance de la température de l'asthénosphère pour la fusion partielle.

Modèle thermique

Dessin : Modèle thermique

Modèle thermique à l'axe d'une dorsale océanique. L'asthénosphère sous la dorsale est à une température potentielle (Tp) constante dans un modèle de dorsale où la convection ne joue pas un rôle primordial : modèle de dorsale dite passive (d'après D. McKenzie & M.J. Bickle,... 

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On peut donc considérer que les dorsales constituent de véritables fenêtres dans le manteau si l'on réussit à soustraire tous les processus crustaux. On a pu ainsi mettre en évidence, par la géochimie, plusieurs domaines mantelliques distincts. La cartographie du manteau est néanmoins difficile car, hormis les zones axiales des dorsales et les zones de volcanisme intraplaque (îles, volcans sous-marins liés ou non à un point chaud), la grande majorité de la croûte océanique n'est accessible que par forage au travers de la couverture sédimentaire. Les dorsales constituent un laboratoire naturel idéal, car les liquides et les solides résiduels sont tous deux disponibles dans un contexte géodynamique relativement simple. Néanmoins, de nombreux problèmes subsistent quant aux conditions physiques de fusion commençante, de percolation, de ségrégation et de cristallisation des liquides.

D'autres contraintes sur la structure profonde des dorsales sont fournies par les observations géophysiques. La topographie des océans reflète directement la structure thermique de la lithosphère créée à l'axe de la dorsale, et des anomalies de température de l'asthénosphère engendrent des anomalies de profondeur. La subsidence monotone de la croûte océanique en fonction de l'âge et la décroissance du flux de chaleur s'expliquent par le refroidissement continu du manteau supérieur avec l'âge. Malgré ce succès dans la modélisation de la topographie et du flux de chaleur, on ignore pratiquement tout sur l'écoulement dans le manteau, qui dépend beaucoup du degré de couplage entre la lithosphère et l'ast [...]

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Rift médio-atlantique dans la zone F.A.M.O.U.S : carte bathymétrique

Rift médio-atlantique dans la zone F.A.M.O.U.S : carte bathymétrique
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Déchirure volcanique du Laki (Islande)

Déchirure volcanique du Laki (Islande)
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Plaques et dorsales océaniques

Plaques et dorsales océaniques
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Profils topographiques

Profils topographiques
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  • : ingénieur civil des Mines, professeur des Universités en géophysique, université de Brest

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Pour citer l’article

Jean FRANCHETEAU, « DORSALES OCÉANIQUES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/dorsales-oceaniques/