Origine des points chauds confirmée par de nouveaux indices

Illustration montrant comment les panaches mantelliques peuvent être émis à partir de la frontière noyau-manteau (bas de l'image) pour atteindre la croûte terrestre (couches verte et orange au sommet de la coupe). En raison du déplacement latéral des plaques tectoniques à la surface, les panaches mantelliques peuvent créer une série de volcans d'âges différents alignés les uns par rapport aux autres. Une ride océanique et des zones de subduction sont également représentées. © Denis Andrault, Henri Samuel, ESRF

Les points chauds volcaniques ont donné naissance à plusieurs îles au cours de l’histoire, par exemple Hawaï. Ils seraient produits par des remontées de panaches magmatiques depuis les profondeurs du manteau terrestre, mais cette théorie n’est pas totalement validée. Un grand pas en avant vient d’être réalisé par des chercheurs français qui ont recréé en laboratoire les conditions régnant à l'interface entre le noyau liquide et le manteau solide de la Terre.

La plupart des volcans sont situés à proximité des zones de subduction ou sur des dorsales océaniques et sont générés par des magmas issus de la fusion partielle du manteau superficiel. Les points chauds volcaniques (hot spots en anglais) sont d'une nature complètement différente car ils peuvent se trouver loin des frontières de plaques tectoniques. Les îles hawaïennes, par exemple, sont une chaîne volcanique qui viendrait d'un mystérieux point chaud remontant des plus grandes profondeurs de la Terre.

La nature et l'origine de ces points chauds apportant du magma à la surface de la Terre intriguent les scientifiques. On pense que des courants de magma, produits à l'interface entre le noyau liquide de fer fondu, et le manteau solide, composé de silicates, remonteraient vers la surface. La preuve formelle de l'existence de ces courants étroits appelés « panaches » n'a pas pu être faite, notamment à cause de la précision encore insuffisante des images sismiques.

Mais quel matériau de l'interface noyau-manteau serait suffisamment léger pour remonter d'une profondeur de 2.900 km à travers le manteau solide ? C'est la question à laquelle Denis Andrault, du laboratoire Magmas et Volcans (LMV, université Blaise Pascal) et ses collègues ont tenté de répondre en reproduisant en laboratoire les conditions extrêmes existant à l'interface noyau-manteau. Ces travaux ont été présentés dans la revue Nature.

Les profondeurs de la Terre recréées par un laser et des diamants

Des roches de type chondritique (composition d'un certain type de météorites pressenties pour être à l'origine de la formation de la Terre), typiques du manteau profond et primitif, ont été synthétisées. Ils en ont ensuite comprimé de minuscules éclats (de la taille d'un grain de poussière, soit une cinquantaine de microns) entre deux pointes de diamant coniques, créant ainsi une pression de plus d'un million d'atmosphères. Un faisceau laser a permis de chauffer les échantillons entre 3.000 et 4.000 °C, des températures typiques de la couche la plus profonde du manteau qui s'étale sur 200 km d'épaisseur au-dessus de l'interface noyau-manteau. Les échantillons sont extrêmement petits par rapport aux phénomènes naturels se produisant dans le manteau profond. Pourtant, les phénomènes de fusion sont reproduits de façon très satisfaisante et l'analogie de l'échelle de quelques microns dans les expériences à l'échelle des kilomètres dans le manteau profond est donc fiable.

Un faisceau ultrafin de rayons X, d'un diamètre micrométrique, a été employé pour cartographier les échantillons et identifier les régions où la roche avait fondu, en utilisant la méthode de la diffraction X. Une fois les régions fondues identifiées, une autre technique d'analyse mise en œuvre à l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), la fluorescence X, a permis de comparer la composition chimique des parties solides et celles ayant fondu auparavant. Ces résultats, d'une grande précision, ont montré que la roche fondue dans ces conditions de température et de pression est plus légère que le solide.

Sous l'effet de la gravité, la roche liquide – plus légère – se déplace vers la surface de la Terre, où le panache de magma forme un volcan. L'étude prouve que les points chauds peuvent effectivement se former dans la région intermédiaire du manteau inférieur solide et du noyau extérieur liquide où la température passe en moins de 200 km de 3.000 à 4.000 °C.

Les résultats de cette expérience sont essentiels pour mieux comprendre la formation des points chauds qui, comme à la Réunion, peuvent provoquer des éruptions volcaniques aux conséquences parfois désastreuses pour les populations. Ils éclairent aussi l'histoire primitive de la Terre en expliquant comment des éléments chimiques importants pour notre vie de tous les jours ont pu s'accumuler dans la croûte terrestre, très près de la surface, alors qu'ils proviennent de l'intérieur profond de notre planète.

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