Les géophysiciens du Earth-Life Science Institute (ELSI) du Tokyo Institute of Technology rapportent dans Géosciences de la nature un nouveau modèle pour l'existence d'un système de tapis roulant dans le manteau profond qui pourrait avoir fonctionné à l'intérieur de la Terre depuis sa formation il y a environ 4,5 milliards d'années.

La plupart des tremblements de terre, volcans, construction de montagne, expansion des fonds océaniques, et d'autres activités géologiques majeures sur Terre sont entraînées par ce qu'on appelle la tectonique des plaques, où de grandes sections de la croûte terrestre se déplacent sous forme de blocs cohérents - ou de plaques - qui s'écrasent ensemble, démonter, glisser les uns sur les autres, et se croisent à leurs frontières. Sous les plaques se trouve le manteau rocheux épais de 3000 km, composé de roche flexible et chaude qui se déforme lentement et baratte sous les immenses pressions et températures de l'intérieur profond. Ce mouvement de barattage, ou convection du manteau, agit pour évacuer la chaleur de l'intérieur de la Terre, similaire à la circulation dans une marmite de ragoût à ébullition lente. La convection du manteau entraîne finalement le mouvement des plaques tectoniques. À son tour, les assiettes remuent aussi le manteau, où ils sont subduits en glissant les uns sur les autres, et s'enfoncer à travers le manteau à de grandes profondeurs.

Les scientifiques se sont longtemps demandé si le manteau terrestre était bien mélangé par cette agitation et les mouvements convectifs de barattage (convection du manteau), ou si la partie inférieure du manteau a une composition différente de celle de la partie supérieure. Que certaines plaques sont subductées jusqu'à la base même du manteau, parcourant 3000 km en environ 200 millions d'années, a été traditionnellement considérée comme la preuve d'un ragoût de manteau bien agité et mélangé.

Le ragoût du manteau terrestre mal mélangé

Dans cette recherche, les scientifiques ont adopté une nouvelle approche en examinant si la composition chimique des roches du manteau affecte le mouvement convectif de barattage. Certaines roches se déforment et s'écoulent plus facilement que d'autres, se comportent comme de l'eau par opposition aux liquides à haute viscosité tels que le miel. Par exemple, verser de l'eau dans une casserole de ragoût fait que l'eau se mélange au ragoût même sans trop remuer. Il va sans dire, il faudrait beaucoup plus de temps pour que le miel se mélange au ragoût. Notamment, si les boulettes sont mises en ragoût, alors les deux composants ne se mélangeront jamais. Même si les boulettes sont généralement déformables; le ragoût bouillant coule juste autour des boulettes car il est beaucoup plus déformable, ou moins visqueux, que des boulettes.

Maintenant, dans la terre, les roches du manteau inférieur se comportent plus comme un ragoût que des boulettes (ou plus comme de l'eau que du miel) en fonction de leur composition chimique. Si les roches du manteau inférieur sont relativement enrichies en silice (ou SiO2, qui est aussi le composant principal du sable), ils sont plus visqueux et se comportent plus comme des boulettes que des roches appauvries en silice, qui sont plus faibles et se comportent plus comme le ragoût lui-même. C'est intrigant car de nombreuses météorites qui sont considérées comme les éléments constitutifs de la Terre ont une teneur en silice plus élevée que les roches de la partie supérieure du manteau terrestre. Pour compenser l'épuisement de la silice dans la plupart des roches du manteau qui ont été sondées, au moins certaines roches du manteau inférieur devraient être relativement riches en silice. Donc, le manteau terrestre pourrait être un peu comme un mélange bien mélangé, ragoût appauvri en silice avec quelques boulettes riches en silice mal mélangées près de sa base.

Pour étudier le mouvement de barattage du ragoût de manteau, Maxim Ballmer et ses collègues d'ELSI ont ajouté une forte couche riche en silice dans les simulations numériques de la convection du manteau. Ils ont trouvé que, après un renversement majeur de la stratification initialement imposée, le manteau s'est organisé en grandes cellules de convection en forme de rouleau, où de faibles roches appauvries en silice remplissent le manteau supérieur et circulent autour de blocs riches en silice dans le manteau inférieur le long d'un tapis roulant géant (Fig.1).

Des blocs géants de roches anciennes cachés sous l'Afrique et le Pacifique ?

Dans les simulations, ce modèle de convection barattée est resté stable pendant plusieurs milliards d'années, et plus long que l'âge de la Terre. Les blocs fortement riches en silice dans le manteau inférieur ont probablement plus de 1000 km de diamètre et 10, Des milliers de kilomètres de long, représentant environ 15 % de la masse du manteau. Ballmer et ses collègues pensent qu'ils sont cachés bien au-dessous de l'Afrique et du Pacifique, en forme de saucisses géantes ou de beignets.

L'existence de domaines aussi forts peut expliquer pourquoi certaines des plaques subductées ne s'enfoncent pas vers la base du manteau, mais plutôt étang à des profondeurs intermédiaires, où ils rencontrent les saucisses fortes ou les beignets. La stabilité à long terme de ces domaines peut en outre expliquer la diversité géochimique des laves de source profonde à la surface de la Terre. Alors que certaines laves sont liées à la fonte des roches du manteau qui ont été recyclées à partir de la croûte près de la surface et ont circulé à travers le manteau, d'autres tracent des traces de domaines anciens qui ont évité la circulation et le recyclage depuis les premiers jours de notre planète.

La survie des roches anciennes dans le manteau convectif est un casse-tête de longue date pour de nombreux scientifiques, mais peut maintenant être résolue en raison d'un mélange inefficace entre les roches fortement enrichies en silice et le manteau appauvri en silice beaucoup plus faible.