MANTEAU TERRESTRE

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Composition et dynamique du manteau

La structure radiale du manteau et les anomalies tridimensionnelles décrites précédemment correspondent à des propriétés physiques et des compositions des matériaux (minéraux et roches) constituant le manteau, dans le cadre générique de la convection thermochimique.

Changement de phase et structure radiale du manteau

La limite supérieure du manteau, le Moho, est la plus facile à interpréter, notamment parce qu'on peut l'étudier par observation directe. Le Moho est une limite pétrologique, séparant la croûte, de composition basaltique dans les océans et de composition granito-gneissique dans les continents, du manteau formé d'un assemblage d'olivine (de 60 à 70 p. 100), de pyroxènes (de 20 à 30 p. 100) et d'un aluminosilicate (plagioclase, spinelle ou grenat, en fonction de la pression). Cet assemblage minéralogique, beaucoup moins variable que les assemblages formant les roches crustales, se nomme une péridotite. Les péridotites les plus communes sont les harzburgites : elles sont le résidu de la fusion du manteau qui a donné les basaltes. La roche mère des basaltes et des harzburgites est une roche modèle (c’est-à-dire qu’on ne l'a pas échantillonnée jusqu'à présent) nommée « pyrolite ».

Échantillon de péridotite

Photographie : Échantillon de péridotite

En vert, les cristaux d'olivine, minéral principal de la péridotite, roche dominante du manteau supérieur. 

Crédits : T. Boyes/ Shutterstock

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Lorsque les roches terrestres sont entraînées en profondeur, par exemple dans les zones de subduction, les élévations de température et de pression induisent le métamorphisme, c'est-à-dire le changement des structures cristallines (fig. 2). Il en est de même pour les péridotites, qui, à haute pression et à haute température, connaissent différents changements de phase que l'on peut étudier en laboratoire. On utilise pour cela différents types de presse, notamment les presses à diamant (appelées « cellules à enclume de diamant ») qui permettent de combiner des pressions extrêmes – pouvant atteindre celles qui règnent à la base du manteau – et un chauffage efficace par laser.

Changements de phase minéralogiques dans le manteau

Dessin : Changements de phase minéralogiques dans le manteau

Au fur et à mesure des augmentations de pression et de température dans les profondeurs du manteau, les minéraux subissent des transformations de phase au cours desquelles les arrangements cristallins deviennent de plus en plus compacts. La transformation la plus remarquable se produit vers... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Au sommet du manteau supérieur, c'est la température qui augmente le plus fortement, et la première transformation qui peut se produire est l'apparition d'un liquide de fusion partielle, selon une courbe que l'on appelle le solidus. En comparant le solidus et le géotherme (c'est-à-dire l'évolution des températures en fonction de la profondeur dans la Terre), on peut en déduire l'état physique du matériau. On obtient qu'au niveau des dorsales, le géotherme franchit le solidus, ce qui est bien en accord avec la production de magma dans ces zones. En dehors des dorsales, le géotherme ne franchit pas le solidus, mais lui est tangent de 100 à 200 kilomètres de profondeur sous les océans. Proches de la fusion partielle, les roches sont alors moins rigides ; c'est ce qui explique la présence de l'asthénosphère en domaine océanique.

À des profondeurs plus importantes, c'est la pression qui joue le rôle principal et contrôle les changements de phase. C'est d'abord l'olivine qui change de structure (les tétraèdres qui la composent se réarrangent de façon plus compacte) et devient de la wadsleyite. Les conditions requises pour cette transformation sont celles qui règnent à une profondeur de 440 kilomètres, c'est-à-dire à l'entrée dans la zone de transition. À plus grande profondeur, vers 520 km, la wadsleyite se transforme en une forme plus compacte, la ringwoodite. Si l'interface marquée par cette transformation n'est pas toujours visible au sein de la Terre, c'est parce qu'elle peut être « masquée » par les transformations des pyroxènes. Ces derniers deviennent de la majorite (forme compacte de haute pression) à des profondeurs variables en fonction de leur composition, ce qui produit une évolution moyenne progressive des vitesses. Le changement de phase le plus important et le plus marqué se produit à 660 kilomètres : tous les minéraux présents dans le manteau (olivine, pyroxènes et grenats) se transforment en un mélange formé d'un oxyde de fer et de magnésium, le ferroperriclase, et d'un silicate magnésien, la pérovskite.

On a pensé pendant longtemps que la pérovskite était stable dans l'ensemble du manteau inférieur. Mais on a reconnu récemment qu'à des profondeurs proches de la limite noyau-manteau la pérovskite connaît elle-même un changement de phase en se transformant en post-pérovskite, caractérisée par une structure en feuillets. Cette structure donne à la post-pérovskite un caractère fortement anisotrope qui explique les propriétés sismiques de la couche D''.

L'ensemble des interfaces définies dans la structure radiale du manteau es [...]

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Structure du manteau et du noyau terrestres

Structure du manteau et du noyau terrestres
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Échantillon de péridotite

Échantillon de péridotite
Crédits : T. Boyes/ Shutterstock

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Changements de phase minéralogiques dans le manteau

Changements de phase minéralogiques dans le manteau
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Modélisation numérique de la convection thermochimique

Modélisation numérique de la convection thermochimique
Crédits : Cinzia Farnetani

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

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Pour citer l’article

Édouard KAMINSKI, « MANTEAU TERRESTRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/manteau-terrestre/