EAU DU MANTEAU TERRESTRE

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On qualifie souvent la Terre de « planète bleue » parce que l'eau des océans recouvre plus des deux tiers de sa surface. Les géologues spécialistes de l'intérieur de la Terre pourraient la qualifier plutôt de « planète verte », car le manteau – enveloppe la plus importante de la planète qui s'étend de la base de la croûte jusqu'à la surface du noyau métallique à 2 900 kilomètres de profondeur – est formé majoritairement d'olivine, minéral qui tient son nom de sa couleur vert olive (et des minéraux en lesquels elle se transforme à grande profondeur et sur lesquels nous reviendrons). Mais les deux enveloppes terrestres, hydrosphère et manteau, ne sont pas des réservoirs déconnectés l’un de l’autre, et l'eau est loin d'être absente du manteau. Le fait que la vapeur d'eau soit l'espèce chimique dominante dans les gaz volcaniques en est un indice évident. De plus, l'injection continue de matériaux hydratés, sédiments et croûte océanique altérée, dans le manteau au niveau des zones de subduction, laisse envisager un véritable cycle interne de l'eau au sein du manteau terrestre.

Teneur en eau du manteau terrestre

Il y a donc de l’eau dans le manteau terrestre. Cependant, l'eau libre n'existe sur Terre que dans l'hydrosphère (les océans, les rivières, les nappes phréatiques). Dès que l'on passe en dessous du niveau des sols, l'eau est incorporée dans la structure cristalline des minéraux qui constituent les roches, sous la forme de liaisons OH. La teneur en eau du manteau varie significativement selon la profondeur et la composition minéralogique des matériaux concernés. Une première estimation de la teneur en eau du manteau supérieur repose sur la teneur en eau des basaltes, appelés MORBs (acronyme retenu internationalement pour mid oceanic ridge basalts en anglais, ou « basaltes de rides océaniques » en français), produits au niveau des dorsales océaniques par fusion partielle du manteau chaud, entre 50 et 150 kilomètres de profondeur environ, dans les courants de convection ascendants. Or l'eau est un élément dit « incompatible », qui va systématiquement passer dans la phase liquide lors d'un phénomène de fusion partielle. Connaissant la teneur en eau dans les basaltes et le taux de fusion partielle qui les a produits, on peut alors remonter à la teneur en eau du matériau source. La valeur typique de cette teneur en eau est de 0,12 p. 100 soit 1 200 parties par million (ppm, unité adaptée aux faibles concentrations ; 1 ppm = 104 p. 100). En considérant que les MORBs correspondent à un taux de fusion partielle de 10 à 20 p. 100, on obtient alors une teneur de 120 à 240 ppm dans le matériau source. Un autre type de volcanisme important dans les domaines océaniques est celui des points chauds, comme Hawaii ou La Réunion. Le manteau fondant au niveau des points chauds apparaît plus hydraté que le manteau supérieur à la source des MORBs, et fournit une estimation pour la concentration en eau de 500 à 700 ppm.

Une seconde estimation de la teneur en eau dans le manteau est fondée sur l'étude directe de la roche formant le manteau supérieur (qui s'étend jusqu'à 670 km de profondeur), la péridotite. Ce type d'échantillon est récolté dans les continents, sous la forme d'inclusions remontées dans les laves (également appelées « xénolithes »). Les mesures de concentration en eau sur ces xénolithes donnent des valeurs nettement plus faibles que pour le manteau océanique, de l'ordre de 50 à 200 ppm. Ces valeurs indiquent que le manteau sous-continental d’où provient la péridotite a été en partie déshydraté lors de la formation de la croûte.

Péridotite

Photographie : Péridotite

Cette inclusion de péridotite (d'une taille de 5 cm) a été remontée dans une lave de la zone volcanique de San Carlos, Arizona. Le principal composant minéralogique de la péridotite est l'olivine. Celle-ci peut contenir environ 0,1 p. 100 d'eau au sein de sa structure cristallographique,... 

Crédits : James St. John

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Les deux précédentes estimations sont a priori valables pour un manteau assez superficiel (à l'échelle de la Terre) où se produisent les phénomènes de fusion. Le manteau plus profond n'est pas échantillonné par le magmatisme et d'autres techniques doivent être utilisées pour estimer sa concentration en eau. La technique la plus commune est l'étude des vitesses de propagation des ondes sismiques, en particulier dans la zone dite de transition, entre 410 et 670 kilomètres de profondeur. Dans cette zone, l'olivine change de structure cristallographique (sans évolution de composition chimique) pour se transformer en ringwoodite puis en wadsleyite, minéraux de haute pression plus compacts et dans lesquels les ondes sismiques s [...]

Cristal de ringwoodite

Photographie : Cristal de ringwoodite

Le cristal de ringwoodite (d'une taille de 150 microns) est un polymorphe de haute pression de l'olivine apparaissant dans la zone de transition. La ringwoodite peut contenir jusqu'à 2 p. 100 de son poids en eau, contre 0,1 p. 100 au maximum pour l'olivine. 

Crédits : Joseph R. Smyth, University of Colorado

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Péridotite

Péridotite
Crédits : James St. John

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Cristal de ringwoodite

Cristal de ringwoodite
Crédits : Joseph R. Smyth, University of Colorado

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Cycle interne de l’eau

Cycle interne de l’eau
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : professeur des Universités, Institut de physique du globe de Paris, volcanologue

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Pour citer l’article

Édouard KAMINSKI, « EAU DU MANTEAU TERRESTRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 17 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/eau-du-manteau-terrestre/