Manteau terrestre : un nouvel outil numérique pour décrire la déformation des roches
Communiqué de presse
Bien que solides, les roches du manteau terrestre se déforment très lentement. L’équipe du professeur Patrick Cordier au sein de l’Unité matériaux et transformations (Université Lille 1/CNRS) vient de mettre au point un nouveau modèle permettant, sur des échelles de temps de plusieurs millions d'années, de faire le lien entre la déformation de ces roches et la convection du manteau, véritable moteur de la tectonique des plaques. Jusqu’à présent, aucune méthode expérimentale en laboratoire n’avait permis d'atteindre les conditions réelles de déformation des roches du manteau. En appliquant ce modèle à l'oxyde de magnésium, solide présent dans le manteau terrestre, les scientifiques ont pu montrer comment les défauts à l'échelle atomique de ce minéral pouvaient être transmis à plus grand échelle et sur de longues périodes de temps. Publiés dans la revue Nature du 12 janvier 2012, ces résultats remettent en cause certaines approches expérimentales à hautes pressions et températures. Ils montrent que seule une couche de faible épaisseur à la base du manteau peut être considérée comme un fluide visqueux, ailleurs le manteau se comporte comme un solide plastique.
Le comportement du manteau terrestre est chaotique à l’échelle des temps géologiques. Mais il apparaît bien statique, voire immobile, à l’échelle de temps de la vie humaine (les vitesses dans le manteau sont comparables à la vitesse de croissance des ongles…).
Pour mieux comprendre comment les déformations subies par les roches et les minéraux dans les profondeurs de la Terre ont un impact sur la convection du manteau, une approche numérique novatrice a été mise en place par l’équipe de Patrick Cordier au sein de l’Unité matériaux et transformations (Université Lille 1/CNRS).
En intégrant des concepts théoriques de physique des solides et des mécanismes de déformation des matériaux, les scientifiques ont ainsi traversé les échelles de temps et ont pu décrire le comportement des minéraux dans des conditions inaccessibles expérimentalement.
Les chercheurs ont simulé la déformation de l’oxyde de magnésium (MgO), solide présent naturellement dans le manteau inférieur, à des conditions de pression et de température identiques à celles du manteau (de l’ordre d’un million de fois la pression atmosphérique et d’une température de quelques milliers de degrés). Les chercheurs ont ainsi pu observer la présence de défauts à l'échelle atomique appelés dislocations. Or, pour Patrick Cordier et ses collègues, ces dislocations sont principalement responsables de la déformation plastique du manteau, véritable moteur de la machine thermique terrestre (tectonique des plaques, volcans, séismes,…).
Du point de vue de la géophysique, ces résultats bousculent les concepts habituels du domaine. Pour modéliser la convection mantellique (mécanisme d'évacuation de la chaleur interne), on considère habituellement que le manteau terrestre se comporte sur de longues échelles de temps comme un fluide visqueux. Dans cette étude, les scientifiques montrent que seule une couche de faible épaisseur à la base du manteau suit effectivement ce type de comportement. Ailleurs dans le manteau, le concept de viscosité ne peut être défini et se comporte comme un solide plastique.
Avec tous ces nouveaux éléments scientifiques, un nouveau champ de recherche s’ouvre dans les domaines de géophysique reliant la notion de dislocation des solides à l’échelle atomique et les écoulements à l’échelle du manteau.
Evolution de la contrainte seuil de plasticité en fonction de la température.
La contrainte nécessaire à la déformation des matériaux en l'absence d'activation thermique (à 0 kelvin) s'appelle la contrainte de Peierls. Elle est suivie, à température finie, d'un régime thermiquement activé ou les influences de la contrainte et de la température se conjuguent pour assurer la propagation des défauts, appelés dislocations, responsables de la déformation plastique. Le mécanisme microscopique impliqué s'appelle le mécanisme de doubles décrochements. Au delà d'une certaine température critique Ta, la déformation devient athermique, c'est-à-dire que la contrainte ne dépend plus de la température. Au niveau microscopique, on constate que ce ne sont plus les cinétiques de propagation des défauts qui contrôlent le processus, mais les enchevêtrement entre défauts. Ce comportement est illustré ici pour le glissement ½<110>{110} dans MgO. Les symboles repésentent les données expérimentales auxquelles le modèle (matérialisé par la ligne) est confronté. Tous les matériaux suivent la même séquence générale.
Les études conduites depuis 30 ans ont popularisé le concept de "cartes de déformations" où l'on représente le domaine de certains mécanismes de déformation en fonction de paramètres clés (contrainte, température, taille de grains). Ici on examine l'influence de la vitesse de déformation (axe horizontal) sur les mécanismes de déformation dans MgO à quatre pressions: 0, 30, 60 et 100 GPa. Les domaines blanc et coloré correspondent aux mécanismes athermique et thermiquement activés respectivement. La couleur correspond à l'exposant de contrainte apparent (échelle de droite). Les conditions moyennes du manteau sont visualisées par le losange.
Mécanismes de déformation de MgO dans les conditions du manteau (pour une vitesse de déformation typique de 10-16 s-1). La température de transition entre les régimes thermiquement activé et athermique est comparée à plusieurs profils de température dans le manteau. Seule une couche dans la partie la plus profonde du manteau inférieur implique des mécanismes thermiquement activés qui permettent de définir le concept de viscosité.
Modelling the rheology of MgO under Earth's mantle pressure, temperature and strain-rates. Patrick Cordier, Jonathan Amodeo, Philippe Carrez, Nature, 12 January 2012
Université Lille 1, Unité Matériaux et Transformations, CNRS
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- Patrick Cordier, Laboratoire de Structure et Propriétés de l'Etat Solide
patrick [dot] cordier [at] univ-lille1 [dot] fr, 03 20 43 43 41
- Patrick Cordier, Laboratoire de Structure et Propriétés de l'Etat Solide