La convection thermochimique peut conserver des ilots de manteau primitif

Une des plus anciennes et des plus vives controverses dans la communauté des geosciences concerne la dynamique globale du manteau terrestre. Alors que les géochimistes montrent par différents arguments isotopiques qu’il existe un manteau primitif “caché” dans les profondeurs de la Terre, les techniques d’imagerie géophysique montrent sans ambiguïté que les plaques lithosphériques plongent majoritairement dans le manteau profond, ce qui implique un certain brassage du manteau par la convection. Le brassage auquel est soumis le manteau depuis que la tectonique des plaques s’est mise en place (probablement dès l’Archéen) a-t-il pu préserver des fragments de manteau primitif ? Telle est la question abordée par l’équipe franco suisse.

Dans cette étude les auteurs on pris en compte non seulement l’effet dynamique des anomalies de densité liées au gradient de température, mais aussi celui dû aux anomalies de densité liées à la composition chimique : la convection thermochimique. Dans ce type de modèle où les anomalies de densité liées à la composition chimique des matériaux sont équivalentes aux anomalies de densité liées aux gradients thermiques, on constate la formation de réservoirs denses qui restent stables à la base du manteau à l’échelle des temps géologiques. Les représentations des géochimistes et des sismologues sont ainsi réconciliées.

Cependant, aucune étude ne s’était jusqu’à présent attaquée aux conséquences quantitatives de la convection thermochimique. En utilisant un modèle numérique 3D incorporant des traceurs chimiques et prenant en compte le changement de phase entre le manteau supérieur et le manteau inférieur, les auteurs de ces travaux montrent que trois régimes dynamiques sont possibles en fonction de la composition chimique du réservoir profond.

Si le contraste de densité entre le réservoir profond et le manteau environnant n’est pas assez fort, la convection déstabilise rapidement le réservoir et disperse son matériel dans l’ensemble du manteau, ce qui ne permet pas d’expliquer les contraintes géochimiques.

Si le contraste de densité est trop fort, le réservoir profond est très stable vis-à-vis du mélange convectif, mais son matériel est trop dense pour être entraîné vers la surface et n’est jamais échantillonné.

Par contre pour des contrastes de densité intermédiaires, les modèles prédisent la formation de réservoirs stables d’où prennent naissance des panaches entraînant quelques pour-cent de matériau primitif dense. Le rythme des échanges convectifs entre les deux manteaux dans ce régime produit un spectre d’anomalies de densité chimique et thermique en très bon accord avec les observations sismologiques.

Enfin, la fraction de matériau entraîné est assez faible pour ne pas altérer la stabilité des réservoirs, mais suffisamment importante pour expliquer la signature isotopique primitive mesurée dans les basaltes de points chauds. Le formalisme de la convection thermo-chimique appliqué au manteau terrestre permet ainsi de satisfaire quantitativement les données indépendantes d’origine géophysique comme géochimique.