Convection et rhéologie du manteau

Sous l'effet de la chaleur interne, le manteau solide se déforme lentement et entre en convection sur des millions d'années. La manière dont la roche mantellique se déforme, sa rhéologie, détermine la vigueur, le style et le schéma de cet écoulement à l'échelle planétaire.

Definition

La convection mantellique est l'écoulement lent, entraîné par la flottabilité, du manteau solide qui transporte la chaleur interne de la Terre vers la surface ; la rhéologie est la description de la manière dont la roche mantellique se déforme sous contrainte, principalement par fluage activé thermiquement, ce qui détermine la viscosité régissant cet écoulement.

Scope

Ce sujet couvre la convection thermique dans le manteau et la rhéologie qui la contrôle : les équations régissant l'écoulement rampant (creeping flow) entraîné par la flottabilité, le nombre de Rayleigh et le début et la vigueur de la convection, le rôle du chauffage interne et du chauffage basal, et les styles de convection, de la convection stratifiée à la convection du manteau entier. Il traite des mécanismes de déformation des minéraux du manteau, du fluage par diffusion et par dislocation, de la forte dépendance de la viscosité à la température et à la pression, et de l'influence des transitions de phase sur l'écoulement. L'accent est mis sur la manière dont la rhéologie de la roche solide régit le transport de chaleur convectif.

Core questions

• Quelles équations régissent l'écoulement rampant (creeping flow) entraîné par la flottabilité dans le manteau ?
• Comment le nombre de Rayleigh contrôle-t-il le début et la vigueur de la convection ?
• Par quels mécanismes de fluage la roche mantellique solide se déforme-t-elle ?
• Comment la température, la pression et les transitions de phase façonnent-elles le style convectif ?

Key concepts

• Écoulement rampant (Stokes) entraîné par la flottabilité
• Nombre de Rayleigh et vigueur convective
• Fluage par diffusion et par dislocation
• Viscosité dépendante de la température et de la pression
• Chauffage interne et style convectif

Key theories

Convection thermique et nombre de Rayleigh

La convection du manteau, et sa vigueur, sont régies par le nombre de Rayleigh qui équilibre la flottabilité par rapport à la diffusion visqueuse et thermique ; au-dessus d'une valeur critique, la convection s'amorce, et le nombre de Rayleigh élevé du manteau implique un écoulement vigoureux et dépendant du temps.

Rhéologie du fluage à l'état solide

La roche mantellique s'écoule par la migration activée thermiquement de défauts ponctuels et de dislocations, ce qui confère une viscosité effective fortement dépendante de la température et de la contrainte, qui contrôle les taux et les schémas de convection ainsi que la résistance de la lithosphère.

Mechanisms

La chaleur provenant de la désintégration radioactive et du noyau réchauffe le manteau profond, diminuant sa densité et le rendant flottant ; parce que la roche mantellique se déforme par fluage à l'état solide, elle monte en panaches chauds et descend en plongements froids, transportant la chaleur beaucoup plus efficacement que la conduction, tandis que la forte dépendance de la viscosité à la température et les effets des transitions de phase minérales modulent si l'écoulement s'étend sur tout le manteau ou est partiellement stratifié.

Clinical relevance

La convection mantellique est le moteur de la tectonique des plaques et la source du volcanisme intraplaque et de la topographie dynamique ; sa compréhension contraint l'histoire thermique de la Terre et relie la tectonique de surface à l'intérieur profond imagé par la sismologie.

History

Holmes a proposé la convection mantellique comme moteur de la dérive des continents dans les années 1930 ; le traitement quantitatif a suivi la tectonique des plaques, avec l'étude pionnière de McKenzie, Roberts et Weiss en 1974 sur la convection numérique du manteau, et les études de déformation des roches en laboratoire établissant les lois de fluage qui définissent la rhéologie du manteau.

Debates

Convection stratifiée versus convection du manteau entier

Les géophysiciens ont longtemps débattu pour savoir si le manteau supérieur et inférieur entraient en convection sous forme de couches séparées, suggéré par certains réservoirs géochimiques, ou comme un système unique de manteau entier, soutenu par des images sismiques de plaques pénétrant le manteau inférieur ; les vues actuelles favorisent un écoulement largement du manteau entier avec des complications près de la zone de transition.

Key figures

• Arthur Holmes
• Dan McKenzie
• Shun-ichiro Karato
• Gerald Schubert

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

À quelle vitesse le manteau entre-t-il en convection ?

Extrêmement lentement selon les normes quotidiennes, avec des vitesses d'écoulement de quelques centimètres par an, comparables à la vitesse de déplacement des plaques et à la vitesse de croissance des ongles ; la convection n'est significative que parce qu'elle opère sur des millions à des milliards d'années.

Qu'est-ce que le nombre de Rayleigh ?

C'est une mesure adimensionnelle de la propension d'un fluide à entrer en convection, comparant la flottabilité qui entraîne l'écoulement à la viscosité et à la diffusion thermique qui s'y opposent ; le nombre de Rayleigh très élevé du manteau signifie qu'il entre en convection vigoureusement malgré sa nature de roche solide.