Section 18 Terre et planètes telluriques : structure, histoire, modèles

2. Terre interne

La dynamique et l'évolution de l'intérieur de la Terre sont dominées par deux processus physiques : la fusion/cristallisation qui contraint en grande partie la distribution des éléments chimiques (ségrégation noyau/manteau, cristallisation de l'océan magmatique primitif et cristallisation de la graine, extraction de la croûte océanique) et la convection qui transporte chaleur et matière. Comprendre la dynamique du manteau et du noyau nécessite donc d'une part une compréhension approfondie de ces processus et de leurs interactions, et d'autre part une détermination fine de la composition (chimie, phases), des propriétés physiques (rhéologie, conductivité électrique, diffusion chimique et thermique), et de la structure à grande et petite échelle du noyau et du manteau. Ces dernières années ont vu un accroissement significatif des études résolument interdisciplinaires et pluri-échelles.

2.1. Dynamique du manteau

Fusion partielle et cristallisation des roches mantelliques exercent un filtre important sur la distribution des éléments chimiques (élémentaire et isotopique), mais également sur les observables géophysiques (sismologie, gravimétrie, et magnétotellurique) qui dépendent fortement de la fraction liquide. Pour cela, les expériences de pétrologie et minéralogie expérimentale ainsi que l'étude des inclusions vitreuses de magmas primaires apportent des informations clés, qui alimentent les modèles théoriques et numériques sur la percolation des liquides et/ou la convection. Outre une meilleure compréhension de l'extraction de la croûte océanique et de son recyclage qui contribuent à la génération d'hétérogénéités dans le manteau terrestre, ces études permettent aussi de mieux contraindre la croissance continentale et la cristallisation de l'océan magmatique primitif. Cette dernière nous donne l'état initial du manteau solide, et a aussi potentiellement laissé dans les profondeurs du manteau terrestre des structures reliques de cette histoire précoce.

Le rôle des fluides dans le manteau terrestre est également un sujet abondamment traité par les chercheur-e-s de la section 18. Les problèmes sont bien posés, avec en particulier des questions qui restent ouvertes pour les fluides dans le système C-O-H et leur cycle dans la Terre profonde notamment au niveau des zones de subduction : par quels mécanismes se déplacent-ils dans le manteau ? Quel est le degré de métasomatisation du manteau ? Quels sont leurs effets sur les propriétés du manteau comme la rhéologie, l'anisotropie sismique et l'atténuation, mais aussi la conductivité électrique ? La France bénéficie actuellement de co-financement américain sur le carbone du manteau profond (DCO, Sloan Fondation) et est bien positionnée au niveau mondial sur ces problématiques. Il s'agit à nouveau d'un domaine où la géophysique, la géochimie, la pétrologie-minéralogie expérimentale et la modélisation sont le terreau d'une vraie recherche interdisciplinaire.

Il est maintenant clair que la géométrie de la convection dans le manteau terrestre et la diversité de ses signatures en surface (tectonique des plaques, subduction, points chauds) dépendent de manière cruciale de la distribution des hétérogénéités de densité et de la rhéologie des roches. En particulier, tectonique des plaques et subduction nécessitent une forte localisation de la déformation en limite de plaques. Mais comment relier la déformation à l'échelle du cristal à celle à l'échelle de la lithosphère ou du manteau, les échelles de temps des mesures en laboratoire et les échelles de temps géologiques ? Les équipes françaises se sont bien investies sur ce front, et ont développé aussi bien de l'expérimentation à haute pression sur des roches mantelliques échantillonnées dans différents contextes (orogènes, xénolites, échantillons des campagnes IODP), que de l'expérimentation et de la modélisation focalisées sur les propriétés rhéologiques complexes des minéraux du manteau terrestre (et du noyau) et des modélisations théoriques, analogiques et numériques sur la convection. Pour ce qui est des propriétés rhéologiques, une nouvelle ère est née de la confrontation de données expérimentales et de la modélisation numérique multi-échelle qui embrasse des phénomènes à l'échelle du cœur des dislocations jusqu'à celle des assemblages minéralogiques. En outre, les vitesses de déformation accessibles aux expériences étant éloignées de plusieurs ordres de grandeur de celles en jeu dans la convection terrestre, ces modélisations montrent clairement les limites des extrapolations des mesures expérimentales de relations contrainte-déformation aux conditions du manteau terrestre. Le chemin à parcourir pour modéliser une viscosité effective à l'échelle de la lithosphère est encore long mais les premières lois de fluage pour MgO ont été obtenues grâce à ces méthodes numériques. De nouvelles rhéologies sont aussi explorées dans les modélisations analogiques, certaines d'entre elles permettant notamment d'accéder à de très grands nombres de Rayleigh encore inaccessibles aux modélisations numériques. Une modélisation théorique récente suggère que l'important pour l'existence de la tectonique des plaques n'est pas forcément que la lithosphère soit « molle » dans son ensemble, mais plutôt qu'elle contienne un nombre suffisant de zones endommagées. Le cisaillement créé par la convection est à l'origine de l'endommagement, tandis que le comportement des minéraux à faible température empêche sa cicatrisation rapide. Les zones de faiblesses sont ainsi préférentiellement réactivées, et peuvent devenir plus étroites jusqu'à former des limites distinctes, les frontières des plaques. Ce passage d'une rhéologie instantanée à l'échelle du cristal à une rhéologie à mémoire à l'échelle de la lithosphère est riche d'implications, tant pour le démarrage de la tectonique des plaques, sans nul doute un moment clé de l'histoire de la Terre, que pour l'évolution des planètes et exo-planètes.

Dans le manteau inférieur, le rôle joué par la découverte de transitions comme la transition de spin et ses conséquences pour les propriétés du manteau mais surtout l'existence de la post-pérovskite a été prépondérant ces dernières années. Plus récemment, la découverte très controversée de la phase-H, un nouveau silicate riche en fer résultant de la décomposition de la pérovskite ferromagnésienne (ou brigmanite) montre que ce champ disciplinaire est toujours très fertile. De manière plus générale, les propriétés physiques de la zone D'', et les fortes hétérogénéités des vitesses sismiques et de l'anisotropie, sont le sujet de nombreuses études. Il reste encore à déterminer si ces structures anisotropes sont héritées de la cristallisation de l'océan magmatique, d'une subduction plus tardive, de la fusion partielle du manteau profond ou des plaques subductées, ou bien simplement des transitions de phase affectant la bridgmanite. Les équipes françaises restent très actives sur ces thématiques comme en témoignent les publications pluriannuelles dans des journaux à très fort facteur d'impact tels que Nature ou Science.

2.2. Dynamique du noyau

Variation séculaire du champ magnétique, secousses magnétiques et inversions, croissance de la graine, bilan énergétique et évolution de la géodynamo aux échelles de temps géologiques, requièrent une compréhension fine des phénomènes turbulents au sein du noyau, depuis leur génération jusqu'à leur couplage avec le manteau. La communauté française est très active sur ces thématiques, tant pour les observations que pour les modèles théoriques, numériques et expérimentaux.

La génération de la géodynamo, avec sa géométrie dipolaire et ses deux régimes majeurs (avec ou sans inversions du champ magnétique) reste un thème très riche. Ainsi, la transition d'un régime à l'autre est sans doute conditionnée par la géométrie du flux de chaleur à la surface du noyau liquide, elle-même reliée à l'arrivée de grands volumes lithosphériques froids charriés par les mouvements convectifs du manteau au niveau des zones de subduction, et à l'apparition de nouveaux panaches à la frontière noyau-manteau. D'autre part, outre l'exploration systématique de la génération de la geodynamo par la convection thermique ou compositionnelle à l'intérieur du noyau, de nouveaux mécanismes sont explorés, tels que les effets d'impact, de marée, ou de précession. Ceux-ci pourraient avoir été importants pour le début de l'histoire des planètes. En parallèle, de nombreux progrès ont été faits dans la compréhension de la structure asymétrique de la graine et de sa cristallisation. Ces études récentes vont de pair avec une investigation de plus en plus poussée des diagrammes de fusion du fer et de l'influence des éléments légers aux conditions du noyau. Des éléments de réponse viennent aussi de l'étude de la structure et l'équation d'état des alliages de fer sous conditions extrêmes, en particulier à l'état liquide.

Les trois satellites de la mission Swarm lancés le 22 novembre 2013, après quelques mois de vérification opérationnelle, donnent maintenant accès depuis l'espace à des mesures à haute résolution spatiale et temporelle de l'intensité, la direction, l'accélération et les variations temporelles du champ magnétique terrestre, et du champ électrique associé. Ces nouvelles données, couplées à des mesures sols conduiront à une compréhension plus fine du champ magnétique terrestre, permettront de modéliser sa génération, et de prédire son évolution (en particulier en utilisant l'assimilation des données dans les modèles numériques). Au-delà du géomagnétisme, elles auront aussi des retombées sur nombre de champs thématiques connexes (gravimétrie, étude de l'interaction ionosphère-atmosphère).

2.3. Évolution du système couplé manteau-noyau

On commence aujourd'hui à voir apparaître des modèles intégrant plusieurs contraintes géochimiques, liées à la différenciation, plusieurs contraintes de minéralogie physique intégrant les équations d'état, les propriétés élastiques ou rhéologiques des matériaux, et les observables sismologiques, géodésiques. Ceci est le fruit de la convergence des différentes disciplines comme la géochimie, qui identifie des réservoirs cachés et leurs caractéristiques chimiques et isotopiques, la pétrologie expérimentale qui apporte des contraintes sur les coefficients de partage, les processus et les conditions de la différentiation terrestre, la minéralogie physique qui livre des mesures de propriétés physiques de densité et de structure des minéraux (données importantes pour contraindre le géotherme), la sismologie qui nous fournit des cartographies de plus en plus précises des anomalies de vitesses, la modélisation analogique, et enfin la modélisation numérique qui permet de relier toutes les contraintes afin d'aboutir à un modèle global. Dans le domaine de la jeune Terre interne, les efforts de modélisation portent avec des succès croissants sur les mécanismes de la ségrégation du métal, la convection à haut nombre de Rayleigh, la dynamique des océans magmatiques, l'état thermique et la différenciation des planétésimaux.

2.4. Développement des techniques et équipements

Imager quantitativement la Terre interne nécessite le développement constant de nouvelles techniques de sismologie (ex : tomographie à partir du bruit, tomographie de l'atténuation sismique, modélisation des amplitudes des ondes), le développement de réseaux d'observation pérennes (ex : stations fonds de mer, réseaux denses à terre, observations spatiales) et d'énormes progrès ont été accomplis dans tous ces domaines. À noter que le champ thématique des inversions probabilistes prend de l'ampleur aujourd'hui et pourra conduire éventuellement à terme à une réinterprétation de l'anisotropie sismique à la lumière de ces inversions bayésiennes.

Dans le domaine de la pétrologie expérimentale, l'installation de presses gros volume et les développements technologiques des méthodes de chauffage laser en cellule en enclumes de diamant sur les anneaux synchrotron de dernière génération permettent d'étudier in situ dans des conditions de plus en plus sévères de pression et de température les propriétés physiques et chimiques des matériaux terrestres. Ces expériences sont souvent complétées par des expériences numériques reposant sur des calculs purement théoriques ab initio, qui prennent une place de plus en plus importante dans le calcul des propriétés élastiques, rhéologiques ou le calcul des diagrammes de phases. On note aussi le développement d'expérimentations en conditions extrêmes utilisant les chocs laser (notamment les chocs isentropiques) ainsi que des sources de rayons X de dernière génération (XFEL), qui permettront d'aborder des questions de premier ordre touchant à la structure et à la composition des planètes extrasolaires. Ces études requièrent en effet l'exploration de pressions de plusieurs millions de fois la pression atmosphérique pour des températures inférieures pouvant atteindre 10 000 K, conditions qui s'avèrent au-delà des capacités des méthodes statiques de génération de pression et température.