Convection du manteau terrestre : dislocations ou défauts ponctuels ?

Vendredi, 10 mars 2017

Grâce à une modélisation numérique multi-échelles de la déformation plastique des principaux minéraux du manteau terrestre, des chercheurs de l’Unité matériaux et transformations (UMET, Université de LIlle 1 / ENSC Lille / CNRS / INRA) et du Laboratoire d’étude des microstructures (LEM, CNRS / ONERA) ont pu montrer que les mécanismes de déformation habituellement invoqués en mécanique des roches (fluage par dislocation ou par diffusion de défauts ponctuels) sont fortement inhibés dans les conditions de pression du manteau. Ils proposent un mécanisme alternatif basé sur un déplacement des dislocations dit "en montée" par absorption ou émission de défauts ponctuels.

La Terre, comme sans doute de nombreuses planètes, évacue sa chaleur interne grâce à de vastes mouvements de convection qui brassent avec une infinie lenteur un manteau de roches solides épais de près de 3 000 km. Ces roches sont soumises à de très fortes pressions qui affectent profondément leurs propriétés, à commencer par la structure des minéraux qui les constituent, laquelle est bien différente de celle des minéraux que l’on rencontre à la surface de la Terre.

Comprendre les mécanismes par lesquels ces roches de hautes pressions se déforment est une étape nécessaire à la modélisation des processus dynamiques qui animent notre planète.
Un mécanisme notamment est couramment observé dans les roches de la croûte terrestre et du manteau supérieur : sous l’action des contraintes qui entrainent la convection, des défauts appelés dislocations peuvent se déplacer dans les cristaux et provoquer des cisaillements conduisant à leurs déformations. Ce mécanisme est connu cependant pour générer une orientation préférentielle des minéraux, source d’une anisotropie de propagation des ondes sismiques caractéristique. Or cette signature n’est pas présente de façon significative dans le manteau inférieur.
C’est la raison pour laquelle un autre mécanisme est généralement évoqué, en lien avec des défauts ponctuels générés par la présence d’impuretés et appelés lacunes car ce sont des sites cristallographiques où les atomes qui devraient s’y trouver sont manquants. À haute température en effet, de tels défauts peuvent se déplacer et être à l’origine de déformations plastiques. Cependant, la diffusion de ces défauts étant lente, de très petites tailles de grains (moins d’un micromètre) sont nécessaires pour rendre compte des vitesses de déformation liées à la convection dans la Terre profonde. Or, même si la taille des grains dans le manteau profond est très mal connue, de si petites tailles semblent très peu réalistes au regard de la température qui y règne.
Jusqu’à ce jour, aucune de ces deux approches ne permettait donc d’expliquer de manière satisfaisante la déformation des roches dans le manteau profond.

Pour étudier le comportement mécanique des principaux minéraux du manteau, en particulier de la bridgmanite qui domine la minéralogie du manteau inférieur, une équipe de chercheurs de l’UMET et du LEM ont développé une approche basée sur la modélisation multi-échelle de la plasticité de ces roches.

Ils ont ainsi pu montrer que la pression inhibe fortement le glissement des dislocations dans la bridgmanite et qu’il faut donc de fortes contraintes pour déformer ce matériau. Ce résultat, qui rend compte des très fortes contraintes qu’il est nécessaire d’appliquer à ces minéraux pour les déformer en laboratoire, met surtout en évidence que le mécanisme impliquant des dislocations ne peut donc opérer aux faibles contraintes régnant dans le manteau.
En revanche, ils ont pu mettre en évidence un mécanisme alternatif : à défaut de glisser, les dislocations peuvent absorber ou émettre des lacunes et ainsi se déplacer hors de leurs plans de glissement, un déplacement appelé "montée". Ce mécanisme déjà évoqué en sciences des matériaux, et que les auteurs de cette étude proposent d’appeler "fluage par montée pure", permet de reproduire les vitesses de déformation observées dans le manteau. Indépendant de la taille des grain, il n’impose pas de contrainte sur ce paramètre pour être efficace. De plus, il n’induit pas d’orientations préférentielles des cristaux et est donc parfaitement compatible avec les observations sismiques.
La réponse des intérieurs planétaires à la convection mettrait donc en œuvre l’action combinée des dislocations et des défauts ponctuels.

Ce travail offre un nouveau cadre conceptuel à la modélisation de la viscosité du manteau. Il montre la nécessité de mieux connaître la chimie et la diffusion des défauts ponctuels du manteau pour mieux contraindre sa rhéologie.

Source(s): 

Pure climb creep mechanism drives flow in Earth’s lower mantle, Francesca Boioli, Philippe Carrez, Patrick Cordier, Benoit Devincre, Karine Gouriet, Pierre Hirel, Antoine Kraych et Sebastian Ritterbex, Sci. Adv. 3, e1601958 (2017) DOI: 10.1126/sciadv.1601958

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  • Patrick Cordier, UMET
    patrick [dot] cordier [at] univ-lille1 [dot] fr, 03 20 43 43 41 - 06 49 29 18 79

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