La diversité géochimique des rides médio-océaniques serait le reflet direct de la convection à grande et petite échelle du manteau

Lundi, 15 septembre 2014

Notre planète est une machine thermique qui se refroidit depuis plusieurs milliards d’années. Ce refroidissement massif est dû à la convection thermique qui se développe vigoureusement au sein du manteau terrestre. Cette enveloppe composée de roches silicatées s'étend de quelques dizaines de kilomètres sous la surface de la Terre à près de 2900 kilomètres de profondeur. Les roches de la base du manteau sont plus chaudes et donc moins denses, elles se déforment très lentement et engendrent, par poussée d’Archimède, des mouvements ascendants, alors que les régions plus froides et plus denses produisent des courants descendants. Une conséquence directe de ce refroidissement convectif est le mouvement des plaques tectoniques à des vitesses actuelles allant de quelques millimètres à quelques dizaines de centimètres par an. Ces mouvements tectoniques sont responsables de la majorité des manifestations naturelles bien connues en surface (tremblements de terre, développement de chaînes de montagnes, dérive des continents, volcanisme), mais aussi du brassage à l’échelle des temps géologiques des roches du manteau.



La composition chimique des laves issues du volcanisme continental ou océanique peut nous renseigner sur le degré d’hétérogénéité du manteau relié à l’historique à très long terme de notre planète. Les laves échantillonnées à la surface de la Terre présentent une importante variabilité chimique. Jusqu'à présent, cette variabilité était pour une part considérée comme représentative de l’existence de régions "sources" du manteau terrestre de composition distinctes. La survie de ces hétérogénéités chimiques au sein du manteau au cours du temps dépend de l’efficacité du mélange engendré par la convection.   

Il est généralement admis que le mouvement des plaques tectoniques à grande échelle constitue le mécanisme principal d’homogénéisation du manteau, pourtant la composition géochimique des laves issues de différentes dorsales médio-océaniques s’avère considérablement variable. Cette variabilité est souvent faible aux endroits où les vitesses des plaques sont élevées (10 à 20 centimètres par an), ce qui est expliqué par un mélange efficace dû aux mouvements des plaques. Par contre, paradoxalement, les dorsales océaniques lentes (vitesse d'écartement de l’ordre de quelques millimètres par an), comme la dorsale Sud-Ouest Indienne, sont également associées à une géochimie homogène, ce qui est incompatible avec un mélange dû à l’action des plaques tectoniques.

Afin d'élucider ce paradoxe, les auteurs ont étudié par des simulations numériques l’influence de l'écoulement du manteau en fonction de la taille et de la vitesse des plaques tectoniques sur l’efficacité du mélange géochimique à proximité des dorsales médio-océaniques. Ces simulations ont d’une part confirmé le développement progressif, déjà connu, d’une convection secondaire de plus petites échelles (de quelques kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres) sous les plaques tectoniques en mouvement, qui se combine à la convection à l'échelle des plaques tectoniques (plusieurs milliers de kilomètres). Par ailleurs, ces expériences numériques ont confirmé que le développement de cette convection de plus petite échelle dépend de la vitesse des plaques et de leur taille. Ainsi, les vitesses de plaques plus rapides et les plaques plus petites inhibent le développement de la convection à petite échelle. Ignoré jusqu’alors dans l’interprétation des données géochimiques, les auteurs ont montré que cette convection secondaire à petite échelle contribue de manière significative au mélange des roches du manteau pour les dorsales lentes.

Ainsi, si les sources des laves issues des dorsales océaniques rapides sont bien mélangées par le brassage dû au mouvement des plaques à grande échelle, le matériel issu des dorsales océaniques lentes est également bien mélangé par la convection à petite échelle. Ces résultats ont une portée importante pour l’interprétation des données géochimiques au niveau des dorsales océaniques et des points chauds dont les différences de variabilités isotopiques peuvent être expliquées sans faire appel à des réservoirs géochimiques isolés, mais uniquement par une efficacité variable des processus de mélange au sein du manteau Terrestre.

Source(s): 

Mixing at mid-ocean ridges controlled by small-scale convection and plate motion. Henri Samuel1,2,3* and Scott D. King3,4 NATURE GEOSCIENCE |PUBLISHED ONLINE: 20 JULY 2014 | DOI: 10.1038/NGEO2208
1-2 CNRS, IRAP, Université de Toulouse, UPS-OMP,

3-Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth, Germany,

4-Virginia Tech, Blacksburg, Virginia USA.

Contact(s):
  • Henri SAMUEL, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP). CNRS,UPS /OMP
    henri [dot] samuel [at] irap [dot] omp [dot] eu, 05.61.33.30.04

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