La fusion des roches du manteau

Selon une idée assez répandue, le manteau terrestre est composé de magma, qui sort par les volcans. Elle est fausse, puisque les ondes sismiques traversant le manteau ont démontré qu’il est constitué de roches solides. La dynamique de la Terre les fait cependant fondre en certains endroits, ce qui explique l’existence du volcanisme, ou plus généralement, du magmatisme. Tel est l’objet de cet article.

Sous les continents, le manteau commence normalement entre 30 et 40 km de profondeur, en moyenne à 36 km. Dans les zones où la croûte est amincie, il peut commencer vers 20 km de profondeur. Puisque le forage le plus profond n’a pas dépassé 12 km, il n’est pas possible de l’atteindre de cette manière. Heureusement, les volcans rejettent de nombreuses pierres provenant du manteau. Ce sont des péridotites, reconnaissables à leur couleur vert olive quand elles ne sont pas altérées. Elles contiennent plus de 40 % d’olivine, un minéral utilisé en joaillerie sous le nom de péridot. Les autres minéraux appartiennent à la famille des pyroxènes. On distingue, selon leur structure cristalline, les orthopyroxènes (enstatite) et les clinopyroxènes (diopside, augite, hédenbergite…). La jadéite, simplement appelé jade dans le commerce, est un clinopyroxène. Je ne donne pas les formules chimiques de ces minéraux. Ce qu’il faut savoir, c’est qu’ils sont tous des silicates, c’est-à-dire des oxydes de silicium, avec du magnésium, du fer, du calcium, etc. Sachant cela, les péridotites se divisent en trois catégories :
‒ Les lherzolites, comprenant de l’olivine, des orthopyroxènes et des clinopyroxènes.
‒ Les harzburgites comprenant de l’olivine et des orthopyroxènes.
‒ Les dunites composées presque uniquement d’olivine.

Comment sait-on que ces roches proviennent du manteau ? Les minéraux accessoires nous donnent de précieuses indications. Ils n’interviennent que pour quelques pour cent dans la composition des roches. Ce sont le plagioclase, le spinelle, le grenat et d’autres moins importants. Le plagioclase est une variété de feldspath. C’est un alumino-silicate de calcium et de sodium que l’on trouve plutôt dans les roches de la croûte continentale. Le spinelle et le grenat, qui sont en fait des familles de minéraux, peuvent être utilisés en joaillerie. Ce qui compte ici, c’est que leur présence s’explique par des réactions chimiques gouvernées par la pression P et la température T. Par exemple, des pyroxènes et du spinelle donnent de l’olivine et du grenat. Grâce aux expériences de laboratoire, on sait comment les péridotites du manteau se comportent. Regardez le très important diagramme P-T. La pression est proportionnelle à la profondeur. Elle est exprimée à la fois en kilobars Kb et en mégapascals Mpa. Ainsi, à 80 km de profondeur, la pression est de 25 Kb, soit 25 000 atmosphères. Les zones de stabilité du plagioclase, du spinelle et du grenat sont indiquées. Le grenat est le minéral de plus grande profondeur. Les péridotites à grenat sont abondantes, mais moins que celles à spinelle. Ces dernières se sont toutes formées à une profondeur inférieure à 80 km.

Imaginez qu’une roche reste à une profondeur donnée mais que sa température augmente. Elle est indiquée par un point qui se déplace vers la droite sur le diagramme. Quand ce point traverse la ligne rouge, appelée le solidus sec, elle commence à fondre. Elle ne devient pas liquide d’un seul coup puisqu’elle est composée de minéraux différents qui ne fondent pas à la même température. On a donc un mélange de liquide et de cristaux. À la surface de la Terre, la fusion commence vers 1 200 °C. C’est la température ordinaire des laves. Si la température continue à augmenter, le liquidus est franchi : la roche est entièrement liquide. Mais cette condition n’est jamais remplie. Vers 40 km de profondeur, cela demanderait des températures supérieures à 2000 °C. Une autre manière de faire fondre une roche du manteau est de la faire monter. À température constante, la pression diminue. Le diagramme montre que de cette manière, on peut lui faire franchir le solidus sec.

Mais quelles températures y a-t-il dans le manteau ? Une courbe qui donne la température en fonction de la profondeur s’appelle un géotherme. Trois d’entre elles ont été représentées sur le diagramme. Sous les continents anciens, la température augmente assez lentement avec la profondeur. À 80 km, elle est d’environ 900 °C. Sous les continents récents, l’augmentation est plus rapide. À la même profondeur, elle est d’environ 1 300 °C. Pourtant, dans ces deux cas, le solidus sec n’est pas atteint. La température où la roche commence à fondre est d’environ 1 500 °C. C’est pourquoi le manteau est solide. En revanche, la fusion est possible sous les rides, aussi appelées dorsales océaniques. C’est indiqué par la flèche 1. À ces endroits, où les plaques lithosphériques s’écartent les unes des autres, c’est la décompression qui joue : les roches du manteau sont entraînées vers la surface, pour combler l’espace entre les plaques, et subissent donc une fusion partielle. De fait, les 60 000 km de dorsales sont les plus importantes zones volcaniques de la Terre, mais comme elles sont sous les océans, elles sont difficiles à observer. L’illustration montre la dorsale médio-atlantique. Il y a une chambre magmatique dans le manteau. Le magma monte par des failles qui résultent de l’écartement des plaques. La majeure partie se solidifie avant d’atteindre le plancher de l’océan. Un peu de magma atteint le plancher, où il entre en contact avec l’eau et refroidit très vite. La fusion partielle d’une péridotite donne une roche de composition différente : elle est basaltique.

Représentation de la dorsale médio-atlantique par la Woods Hole Oceanographic Institution.

Jusqu’à présent, les péridotites étaient supposées dépourvues d’eau, ce qui est presque toujours le cas. C’est pourquoi on a parlé de solidus sec. Or à pression égale, une péridotite hydratée fond à une température inférieure. Le diagramme donne en pointillé le solidus à 5 % d’eau. La température de fusion des roches peut être abaissée de presque 700 °C. L’hydratation du manteau se produit notamment dans les zones de subduction. Les plaques océaniques s’enfoncent dans le manteau et perdent l’eau qu’elles ont accumulée. C’est cela qui provoque le volcanisme de subduction.