EAU DU MANTEAU TERRESTRE

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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 se propagent nettement plus vite que dans l'olivine. Les études de pétrologie expérimentale montrent que la pression – donc la profondeur – où se produisent ces transformations dépend de la teneur en eau des minéraux. En cartographiant les variations de profondeur des sauts de vitesse de la zone de transition, on observe que cette zone contient à peu près 4 000 ppm d'eau (soit 0,4 p. 100), et est donc nettement plus hydratée que le manteau superficiel. Cette conclusion est renforcée par les mesures en laboratoire qui confirment que les minéraux de la zone de transition peuvent contenir nettement plus d'eau que l'olivine : alors que celle-ci en contient environ 0,1 p. 100, ils peuvent en incorporer jusqu'à 2 p. 100. Ce dernier chiffre est en cohérence avec les mesures de conductivité électrique – paramètre très dépendant de la teneur en hydrogène et donc de la teneur en eau –, qui donnent des valeurs nettement plus hautes dans la zone de transition que dans le reste du manteau.

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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À 670 kilomètres de profondeur, une réaction minéralogique majeure se produit et marque la transition entre le manteau supérieur et le manteau inférieur : la wadsleyite se transforme entre u [...]

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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 09 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/eau-du-manteau-terrestre/