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Les vestiges d’un océan de magma à la base du manteau terrestre


05/12/07

Il y a une dizaine d’années, les sismologues découvraient des zones partiellement fondues à la base
du manteau terrestre dont l’origine fait encore débat. Dans la revue Nature du 6 décembre 2007, des
chercheurs du Laboratoire des sciences de la Terre (ENS Lyon, Université Lyon 1, CNRS) de Lyon et de
l’Université British Columbia (Canada), montrent que ces objets insolites à la limite entre le noyau et
le manteau pourraient être les vestiges d’un océan de magma, formé il y a 4,5 milliards d’années et se
solidifiant depuis lentement.

Cette hypothèse apporte un éclairage nouveau sur l’évolution de
l’intérieur de la planète et de son champ magnétique.
Depuis leur découverte, ces petites zones partiellement fondues à 2900 km sous nos pieds, en contact
avec le noyau, intriguent les spécialistes. De très petite taille (quelques km d’épaisseur), elles sont
détectées grâce aux ondes produites par les grands séismes avec des techniques proches de l’imagerie
médicale. Tout semble indiquer qu’elles sont plus denses et probablement plus riches en fer que les
roches du manteau. Par ailleurs, leur forme donne à penser qu’elles stagnent en profondeur. D’où
viennent ces roches fondues ? Comment peuvent-elles être maintenues fondues alors que le reste du
manteau est solide ? Pourquoi ne remontent-elles pas en surface ?

D’UN OCÉAN DE MAGMA À QUELQUES POCHES LOCALISÉES

Pour répondre à ces questions, il faut revenir sur les caractéristiques de la Terre et son histoire
thermique. L’intérieur de la Terre se refroidit doucement grâce aux lents mouvements des masses
rocheuses qui transportent la chaleur interne du globe vers la surface. Ces mouvements de convection
dans le manteau solide sont à l’origine de la tectonique des plaques et de son cortège de catastrophes
récurrentes, séismes et éruptions volcaniques. Le champ magnétique de la Terre, qui protège les êtres
vivants des radiations solaires, est, quant à lui, produit par la convection dans le noyau de fer liquide,
entre 2900 et 5100 km de profondeur, qui se refroidit également par ce mécanisme. Or, les mesures de
l’aimantation des roches, le paléomagnétisme, indiquent que le champ magnétique de la Terre existe
depuis au moins 3,2 milliards d’années. Ceci implique que le noyau a dû se refroidir pendant au moins
tout ce temps.
Les auteurs de l’article émettent l’hypothèse que les zones partiellement fondues observées à la base
du manteau sont les vestiges d’un « océan de magma » initialement beaucoup plus volumineux
(plusieurs centaines de km), mis en place au moment de la formation très énergétique de la Terre
lorsque le noyau et le manteau se sont individualisés. La persistance d’une couche de magma basal
s’explique par la lenteur des mouvements dans le manteau sus-jacent, de l’ordre de quelques
centimètres par an, peu efficace pour refroidir la Terre en profondeur... à tel point qu’il en subsiste des
poches localisées.
Mais pourquoi ce magma ne remonte-t-il pas à la surface comme celui qui, produit à quelques
kilomètres sous la surface, jaillit lors d’éruptions volcaniques ? La réponse est apportée par des études
récentes sur l’effet de la pression sur la fusion des matériaux terrestres. Aux pressions qui règnent à la

base du manteau, le liquide et le solide sont presque aussi denses l’un que l’autre s’ils ont la même
composition chimique. Or, si le liquide de ces poches contient plus de fer, comme on le pense, il est plus
dense que le solide et peut rester à la base du manteau plutôt que de remonter vers la surface.


Evolution schématique de la Terre interne, depuis la formation du noyau il y a 4,53 milliards d’années
(a). L’océan de magma de surface (en jaune) cristallise rapidement par radiation vers l’espace tandis que le fer migre vers le
noyau. En revanche, la cristallisation de l’océan de magma basal est contrôlée par les lents mouvements de convection dans le
manteau solide (gris, b : il y a environ 4,45 milliards d’années), ce qui permet aux dernières zones liquides de survivre jusqu’à
ce jour (d) sous forme de poches de fusion partielle à la base du manteau. Au cours du temps, le solide qui cristallise est de
plus en plus riche en fer (gris foncé, c,d) et finit par être trop dense pour être entraîné par la circulation dans le manteau (d).
© Labrosse, Hernlund et Coltice, Nature

UN RÉSERVOIR EN FER ET EN ÉLÉMENTS RADIOACTIFS

Pour tester ce modèle d’évolution de la Terre, les auteurs ont confronté leurs prédictions aux données
de la géochimie et de la thermique terrestre. Lorsqu’un magma cristallise partiellement, la composition
chimique des cristaux et du magma résiduel ne sont pas identiques. En particulier, certains éléments
comme le fer ont tendance à se concentrer dans le magma et à s’appauvrir dans le solide. On parle
d’éléments incompatibles. De ce fait, une partie importante de certains éléments initialement répartis
de manière homogène dans la Terre devraient être concentrés dans cette couche fondue à la base du
manteau. Or justement, si l’on compare la composition moyenne des roches collectées en surface aux
météorites, qui témoignent de la composition initiale de la planète, on constate un bilan incomplet à la
surface de la Terre pour la plupart de ces éléments incompatibles. Les auteurs proposent donc que la
couche magmatique soit le réservoir des éléments manquants.
Enfin, une part conséquente des éléments radioactifs contenus dans la Terre est constituée par des
éléments incompatibles. Ils pourraient avoir été concentrés dans cette couche fondue à la base du
manteau et avoir ainsi profondément affecté le bilan de chaleur du noyau. En particulier, au début de
l’histoire de la Terre, le flux de chaleur sortant du noyau devait être limité par la production de chaleur
radioactive dans l’océan de magma basal au point que les mouvements de convection dans le noyau
n’auraient démarré qu’après 500 millions à 1 milliard d’années. Cela signifie que, durant toute cette
période, il n’y aurait pas eu de champ magnétique et que la Terre n’aurait donc pas été protégée des
rayons cosmiques. Les implications d’une telle proposition sur l’atmosphère terrestre et le
développement de la vie pourraient être profondes mais restent à étudier.

Ce travail a bénéficié d’un financement du programme SEDIT de l’INSU, et d’un soutien du Ministère de
l’enseignement supérieur et de la recherche.

BIBLIOGRAPHIE

Labrosse, S., Hernlund, J. W., & Coltice, N., 2007, A crystallizing dense magma ocean at the base of earth’s mantle, Nature, 450, 866-869.

CONTACTS

- Stéphane Labrosse, chercheur, laboratoire des sciences de la Terre (ENS LYON, CNRS, Université Claude Bernard)

INSU
- Christiane Grappin - 01 44 96 43 37

- Muriel Ilous, presse - 01 44 96 43 09

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