LITHOSPHÈRE

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Propriétés de la lithosphère Composition de la lithosphère

Les lithosphères continentale et océanique possèdent évidemment des croûtes différentes, tant en composition (basaltique pour la croûte océanique et granodioritique pour la croûte continentale) qu'en épaisseur (6 km pour la première et 30 km pour la seconde). Que savons-nous du manteau sous-jacent à chacune de ces croûtes ?

Cette question est examinée plus en détail ci-dessous, mais on peut tenter d'apporter ici une réponse générale. Le manteau lithosphérique océanique est le résidu de la fusion partielle affectant l'asthénosphère qui monte sous la dorsale océanique. Nous verrons que, pour les dorsales océaniques à vitesses d'expansion moyennes et rapides, le caractère des 10 à 15 premiers kilomètres de manteau est fortement résiduel et réfractaire, les péridotites étant des dunites et des harzburgites, comme le montre l'étude des ophiolites (fig 6 a et cf. ophiolites). Pour les dorsales « lentes » et les rifts océaniques, les péridotites correspondantes seraient des lherzolites feldspathiques relativement résiduelles. À plus grande profondeur, on prévoit la présence de lherzolites à spinelles de plus en plus fertiles (c'est-à-dire sources potentielles de basaltes) vers le bas jusqu'aux lherzolites à grenat dont l'apparition coïncide à peu près avec le début de la fusion sèche du manteau.

Ophiolites : nature et structure

Dessin : Ophiolites : nature et structure

Nature pétrologique et structure comparée des deux types principaux d'ophiolite : en a, ophiolite d'Oman à croûte épaisse due à l'existence d'une couche continue de gabbros lités (chambre magmatique permanente) ; manteau très résiduel à foliation quasi horizontale ; en b, ophiolite... 

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Le manteau lithosphérique sous-continental est connu par des xénolites remontés par les basaltes, ainsi que par des affleurements dans des régions privilégiées très tectonisées, comme la zone alpine d'Ivrée, en Italie, où la croûte profonde et le manteau supérieur sont exposés. À en juger par ces données, le manteau lithosphérique superficiel serait constitué de lherzolites à spinelles fertiles. Les données des xénolites de péridotites contenus dans les kimberlites permettent d'envisager l'existence de lherzolites à grenat plus en profondeur, ainsi que celle de harzburgites plus ou moins fertiles. L'étude de ces divers xénolites ainsi que la modélisation géochimique de la source des basaltes et des kimberlites suggèrent que la lithosphère continentale, dont l'âge peut être considérable, a pu être à plusieurs reprises contaminée, métasomatisée par des fluides ou des magmas enrichis en certains éléments.

Fusion partielle, échauffement plastique

La lithosphère thermomécanique a été caractérisée par un gradient thermique conductif élevé et l'asthénosphère par un gradient adiabatique plus faible de deux ordres de grandeur. Si la limite lithosphère-asthénosphère était tranchée, les profils thermiques en profondeur auraient l'allure des courbes a-b ou a-c de la figure. En réalité, la transition lithosphère-asthénosphère est douce ; par conséquent, le raccord entre les deux gradients est progressif (, courbe d). En raison de la convection et du brassage correspondant, la température dans l'asthénosphère est relativement homogène. La différence entre les profils a-b et a-c de la figure provient de la profondeur à laquelle s'effectue le raccord lithosphère-asthénosphère, par conséquent, de l'épaisseur de la lithosphère ; celle-ci est fonction de l'âge (cf. chap. 3), de sorte que la lithosphère océanique d'âge compris entre 0 et 200 millions d'années aura toujours des gradients plus raides que la lithosphère continentale, plus ancienne (courbe d).

Diagramme profondeur - température

Dessin : Diagramme profondeur - température

Diagramme profondeur – température illustrant les relations entre gradients thermiques et solidus des péridotites dans le manteau supérieur ; courbe a : gradient adiabatique (asthénosphère) ; courbes b et c : gradients conductifs théoriques dans des lithosphères océaniques,... 

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Diagramme profondeur - température

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Diagramme profondeur – température illustrant les relations entre gradients thermiques et solidus des péridotites dans le manteau supérieur ; courbe a : gradient adiabatique (asthénosphère) ; courbes b et c : gradients conductifs théoriques dans des lithosphères océaniques,... 

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Diagramme profondeur - température

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Diagramme profondeur – température illustrant les relations entre gradients thermiques et solidus des péridotites dans le manteau supérieur ; courbe a : gradient adiabatique (asthénosphère) ; courbes b et c : gradients conductifs théoriques dans des lithosphères océaniques,... 

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Portons sur la figure la courbe e du solidus sec des péridotites du manteau, c'est-à-dire la courbe qui, pour une profondeur donnée, détermine à quelle température une péridotite anhydre commence à fondre, libérant des gouttes d'un liquide basaltique. On constate que cette courbe peut recouper le profil représentatif de la lithosphère océanique (courbe a), induisant la fusion partielle à la base de cette lithosphère. Ce n'est pas le cas pour la lithosphère continentale, dont la température demeure toujours trop faible. L'ampleur de la fusion, qui est proportionnelle au dépassement du solidus, sera maximale dans la lithosphère d'âge zéro, c'est-à-dire sous une dorsale océanique, où elle peut dépasser un taux de 20 p. 100. C'est l'extraction de ce basalte qui est responsable de la création de la croûte océanique basaltique (cf. Naissance de la lithosphère océanique). On ne sait pas très bien jusqu'à quel âge la partie profonde de la lithosphère est susceptible de piéger une fraction de basalte fondu. Cette question est encore compliquée par le fait que le manteau contient des fluides, en particulier de l'eau qui réduit la température de fusion (, courbe f). La fraction de liquide ainsi produite est certes modeste car la fraction d'eau dans le manteau est bien inférieure en moyenne à 1 p. 100. La répartition des fluides dans le manteau est mal connue, mais on sait qu'il existe des enrichissements locaux susceptibles de libérer des magmas comme ceux des kimberlites.

Diagramme profondeur - température

Dessin : Diagramme profondeur - température

Diagramme profondeur – température illustrant les relations entre gradients thermiques et solidus des péridotites dans le manteau supérieur ; courbe a : gradient adiabatique (asthénosphère) ; courbes b et c : gradients conductifs théoriques dans des lithosphères océaniques,... 

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Diagramme profondeur – température illustrant les relations entre gradients thermiques et solidus des péridotites dans le manteau supérieur ; courbe a : gradient adiabatique (asthénosphère) ; courbes b et c : gradients conductifs théoriques dans des lithosphères océaniques,... 

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La présence de fusion partielle à la base de la lithosphère peut expliquer l'existence de la couche à faible vitesse et forte atténuation (cf. supra, La lithosphère sismique). On a aussi cherché d'autres causes, en particulier la dissipation thermique induite par la déformation plastique (L. Fleitout & C. Froidevaux, 1980). Cette dissipation est égale au produit du taux de déformation ˙ε par la contrainte σ. Si la base de la lithosphère est une zone de cisaillement très active, on conçoit que la dissipation puisse élever sa température. On peut même envisager un scénario catastrophique si le système fonctionne à contrainte constante, car l'élévation de température accélère rapidement ˙ε en raison de sa dépendance exponentielle en température, ce qui, par le biais de la dissipation, contribue à élever à son tour la température... Il semble plutôt que la condition extérieure imposée soit un déplacement à vitesse constante de la lithosphère par rapport à l'asthénosphère, de sorte qu'un échauffement plastique initial est compensé par une baisse de la contrainte afin de conserver ˙ε inchangé. La dissipation dépendant de σ, on conclut que l'échauffement trouve rapidement des limites. Si cette explication semble un peu « courte » pour rendre compte des propriétés de la L.V.Z., elle pourrait expliquer l'écart à la loi en t (où t est l'âge de la lithosphère) concernant l'épaississement de la lithosphère, qui est constaté au-delà d'un âge de 60 millions d'années.

Profondeur du plancher de l'océan Pacifique

Dessin : Profondeur du plancher de l'océan Pacifique

Profondeur du plancher de l'océan Pacifique en fonction de la racine carrée de l'âge t de la lithosphère (en millions d'années). La ligne tiretée correspond à la loi en racine carrée qui s'écarte de la courbe observée à partir de la valeur 7,7, soit un âge t de 60 millions d'années... 

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Structuration rhéologique et comportement mécanique

Les résultats de l'expérimentation en laboratoire sur le fluage des minéraux et des roches représentatifs de la croûte et du manteau supérieur, obtenus pour des vitesses de déformation élevées (supérieures à 10-8 s-1) à haute température, sont utilisés pour proposer, par extrapolation, des lois représentant le comportement mécanique de ces matériaux (quartz, olivine, plagioclase, etc.) aux valeurs de contraintes (de 10 à 100 MPa) et de températures (de 0,3 à 0,8 fois la température de fusion) correspondant à la lithosphère en cours de déformation géod [...]

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Vitesse des ondes en fonction de la profondeur

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Marc DAIGNIÈRES, Adolphe NICOLAS, « LITHOSPHÈRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lithosphere/