L'intérieur de la Terre, imaginé en 1678 par Athanasius Kircher, comprenant des lacs souterrains, des rivières et des piscines de feu. Wikimedia Commons

Mystère des profondeurs : le manteau terrestre au laboratoire

Que se passe-t-il dans les profondeurs de la Terre, des milliers de kilomètres sous nos pieds ? Comment explorons-nous cette région sans plonger dans les entrailles de la Terre ? La sismologie permet d’écouter la terre et ses vibrations. La minéralogie expérimentale reproduit ses conditions extrêmes de pression et température en laboratoire. Comment se marient ces deux approches ? Pas si simple ! Minéralogie et sismologie ne sont pas toujours faciles à concilier. En route, donc, vers un voyage dans les mystères des profondeurs du manteau.

La structure de la Terre : le noyau est en orange, le manteau en vert, la croûte en gris avec le dessin des continents. Sébastien Merkel, Université de Lille, Author provided

Le manteau terrestre, d’une épaisseur de 2900 km, est le géant de l’intérieur de la Terre : il représente 83 % de son volume et 67 % de sa masse. Sous le manteau se trouve le noyau, une boule de fer fondu agitée de mouvements rapides à l’origine du champ magnétique. Le manteau est également le siège de mouvements de convection, mais à des vitesses bien inférieures, de l’ordre du cm par an. Les compositions et propriétés du noyau et manteau terrestres sont aussi différentes que celles de la croûte et des enveloppes fluides en surface. On s’attend donc à ce que l’interface entre ces régions présente la même complexité que la surface de la Terre.

Effectivement, l’observation des ondes sismiques se propageant à l’interface entre le noyau et le manteau montre qu’il existe une couche intermédiaire, composée de structures complexes de plusieurs centaines de kilomètres, comme une seconde tectonique des plaques dans les profondeurs de la terre. Malgré des décennies d’études, l’origine de ces structures reste mystérieuse. Que sont-elles ? Que nous enseignent-elles sur l’histoire de la terre ? Quelle est leur composition ?

La couche intermédiaire reflète les ondes sismiques

En 1949, les sismologues identifient une couche spécifique d’environ 200 km d’épaisseur à la base du manteau, nommée D" (prononcée « D seconde ») à sa découverte par Keith Bullen de l’université de Sydney. Cette couche joue un rôle fondamental dans la machine thermique de la terre car ses échanges de chaleur avec le noyau sont importants. De plus, la couche D" est la région la plus profonde atteinte par les plaques en subduction et constitue la source de points chauds telles que les îles volcaniques de Hawaï ou de la Réunion.

Convection à l’intérieur du manteau terrestre : les panaches ascendants sont en rouge – les panaches forment les « points chauds » à la surface de la Terre ; les plaques en subduction sont en bleu. Les continents, en surface, sont en jaune : ils se déplacent en suivant la convection du manteau – c’est la tectonique des plaques. (Nicolas Coltice, ENS, Paris).

Les interfaces du manteau observées par les sismologues sont souvent associées à des transformations de phase des minéraux du manteau (des changements de structure cristalline). La couche D", en revanche, est longtemps restée énigmatique. En effet, aucune transition minérale ne lui était associée.

Minéralogie en conditions extrêmes

Illustration de la transition de la bridgmanite, le minéral dominant du manteau inférieur, en structure post-perovskite aux conditions de la couche D", juste au dessus du noyau. Sébastien Merkel, Université de Lille

Ce n’est qu’en 2004, soit 55 ans après la mise en évidence de la couche D" par les sismologues, que des expériences de laboratoire dans des conditions extrêmes de pression et de température (environ 1,3 million de fois la pression atmosphérique et plus de 2 200 degrés Celcius) ont pu mettre en évidence que le minéral dominant de cette partie du manteau, la bridgmanite, change effectivement de structure pour adopter une forme nommée post-pérovskite aux conditions de D".

Il devenait donc tentant d’associer directement les discontinuités sismiques observées dans la couche D" à des limites entre des régions dominées par le minéral bridgmanite et sa forme de plus haute pression, la post-pérovskite.

Très rapidement cependant, les expérimentateurs cherchant à reproduire en laboratoire la minéralogie de l’intérieur de la Terre ont émis des doutes. En effet, d’après leurs expériences, le domaine de coexistence des phases brigmanite et post-perovskite pouvaient correspondre à des épaisseurs de l’ordre de 500 km, soit deux fois plus que l’épaisseur de la couche D" identifiée en sismologie. Comment donc une transformation diffuse, se produisant sur des centaines de kilomètres, peut-elle être observée si distinctement avec des ondes sismiques ?

Le manteau terrestre au laboratoire

Une cellule à enclumes de diamant. Dispositif permettant de reproduire en laboratoire les conditions de pression et température existant dans le manteau terrestre. Les diamants, d’une épaisseur de 2 mm, sont éclairés par un laser bleu sur cette illustration. Sébastien Merkel, Université de Lille

Avec notre équipe de l’université de Lille, nous avons donc décidé nous attaquer à cette question. En collaboration avec des collègues de l’Université Clermont Auvergne ainsi que des collègues allemands de la source synchrotron PETRA III à Hambourg, nous avons reproduit expérimentalement les conditions de pression et température de la couche D" et avons mesuré le temps nécessaire à former une post-perovskite à partir du minéral bridgmanite. Les résultats sont sans appel : les temps de transformation varient de 0,1 s à 8 ans en fonction de la température ou la taille de grains. C’est-à-dire que dans tous les cas, aux conditions de la couche D", la transformation est très rapide aux échelles de temps géologiques (des centaines de millions d’années).

Cependant, nous nous sommes rendu compte que les échelles de temps mesurées correspondaient à celles des vibrations induites au passage d’une onde sismique. Dans ce cas, le passage d’une onde sismique peut affecter une transformation qui, en retour, aura aussi un effet sur l’onde sismique.

Vers une réconciliation ?

Assistés de collègues de l’Université de Lyon et de l’Université de Münster, en Allemagne, nous avons ainsi montré que la proximité des échelles de temps de transformation cristalline et des vibrations induites par les ondes sismiques donne lieu à un effet d’amplification inattendu : contrairement à l’intuition, les régions de coexistence entre brigmanite et post-pérovskite peuvent se révéler de formidables sources de réflexions sismiques !

Ces résultats permettent de réconcilier les observations de minéralogie expérimentale, proposant une transformation progressive entre les deux structures, et les observations sismiques, de réflecteurs efficaces à ces profondeurs. De plus, nous montrons qu’une analyse fine des signaux observés permettra de déduire des informations importantes telles que l’épaisseur de la région de coexistence entre les deux phases cristallines.

Des superstructures à la base du manteau

Au fil des années, notre vision des processus en cours dans le manteau profond s’est affinée. La couche D" et la base du manteau n’ont rien d’une région homogène. Au-dessus de D", les mesures sismiques proposent l’existence de deux superstructures, 100 fois plus épaisses que le Mont Everest. A l’heure actuelle, leur origine reste complètement mystérieuse, encore plus mystérieuse que la couche D" que nous connaissons depuis 70 ans.

Les chercheurs travaillent aujourd’hui à proposer des scénarios quant à l’histoire et les processus dynamiques en cours dans ces régions profondes de la terre. Ce travail repose sur un éventail de disciplines telles que la minéralogie, la sismologie, ou les modélisations de géodynamique. Que nous disent ces structures sur la dynamique globale du manteau, son histoire, et sa manifestation en surface, la tectonique des plaques ? 70 ans après la découverte de la couche D", 15 ans après la mise en évidence de la transformation de la brigmanite en post-pérovskite, la couche D" et le manteau profond restent un lieu d’expérimentation et de découverte au cœur de la recherche actuelle.

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