Comment la chaleur interne de la Terre s'échappe-t-elle?

Article scientifique  " Two-stage evolution of the Earth's mantle inferred from numerical simulation of coupled magmatism-mantle convection system with tectonic plate "

 

Auteur:   Masaki Ogawa
Journal:  Journal of Geophysical Research, Mars 2014, Vol 119, 2462-2486.


N'oubliez pas d'aller voir les questions à la suite du résumé de cet article....

Ci-dessous: un court texte, des figures, une mini vidéo, des questions-réponses.



Résumé de l'article scientifique

Saviez-vous que la Terre perd de la chaleur depuis sa formation? Mais comment le fait-elle? De nouveaux modèles numériques nous aident à imaginer ce qui a pu se passer, depuis la formation de la Terre. L’auteur y voit une évolution du manteau terrestre en deux temps.

La Terre était particulièrement chaude à sa formation il y a 4,56 milliards d’années (Ma), en partie à cause de l’énergie cinétique libérée (transformée en énergie thermique - chaleur) lors de la formation des planètes, appelée l’accrétion. Sa surface aurait ressemblé à un océan de magma. La Terre avait alors une composition chimique relativement uniforme de sa surface à son centre. Puis les éléments lourds comme le fer (Fe) et le nickel (Ni), ont été entrainés vers le centre et ont formé un noyau terrestre. Cette différenciation de la Terre en noyau et en manteau terrestres a libéré de l’énergie supplémentaire. Enfin, les éléments radioactifs présents ont commencé à se désintégrer, en libérant à leur tour de la chaleur. Cette désintégration radioactive est encore présente même si ces éléments disparaissent de plus en plus.

Dans la première partie de son histoire dans les deux premiers milliards d'années, la Terre aurait eu un manteau homogène très chaud avec des mouvements internes intenses (convection mantellique): des morceaux de croûte océanique formés en surface auraient été emportés et déposés à la base du manteau - à cause de leur forte densité. Enrichis en éléments radioactifs, ils seraient rapidement devenus assez chauds et instables à la base du manteau, pour ensuite remonter vers la surface, de manière vigoureuse. L’activité magmatique a ainsi été soutenue et a rendu difficile la stabilisation de plaques tectoniques rigides à la surface. Cette convection du manteau, qui déplace le matériel, est efficace pour libérer de la chaleur : c’est le processus principal de refroidissement de la Terre.

Vers 2 milliards d’années après sa formation, la deuxième étape de refroidissement a commencé. Les fragments de croûte qui s’enfonçaient à grande profondeur dans le manteau ont eu davantage de difficulté à remonter à la surface alors que le manteau se mettait enfin à refroidir : ils se sont plutôt empilés les uns sur les autres. Échauffés par les éléments radioactifs qu’ils contiennent, ils sont remontés occasionnellement sous forme de panaches mantelliques, sur une longue période de temps de 1 milliard d’années. La surface, moins perturbée par le magmatisme, a favorisé le déplacement plus tranquille des plaques tectoniques.

Mais au juste, quelles valeurs ont ces températures aujourd’hui? Le centre de la Terre serait aux alentours de 5500°C. La base du manteau, à 2 900 km de profondeur, serait à environ 3800°C. Et la base de la lithosphère cette région en surface, solide et rigide, serait à 1300° C. Cette température de la lithosphère aurait diminué d’environ 300-500°C depuis 4,56 Ma. Donc très lentement. Mais comment le manteau qui est solide peut-il permettre la convection? Ah, nous en parlerons dans une autre rubrique. Mais c’est son aspect solide mais ductile sur de longues périodes de temps (millions d’années) qui lui permet cela.

Définitions

cinétique (adjectif)

qui fait référence à un corps en mouvement. Dans le cas présent, il s’agit de l’énergie créée par le mouvement et la collision des fragments de futures planètes, lors de l’accrétion des planètes.

ductile (adjectif)

qui se déforme sous pression sans casser. Certains corps sont solides mais ductiles : ils se déforment sans se fracturer.

lithosphère (nom féminin)

Il s’agit de la couche superficielle de la Terre qui est solide et rigide. C’est-à-dire qu’elle est cassante sous grande pression; elle est le lieu des tremblements de terre. Cette couche regroupe la croûte terrestre - océanique ou continentale - et la partie solide et rigide du manteau supérieur. En dessous vers 20 kilomètres sous l’océan et 200 kilomètres sous un continent, le manteau est solide mais ductile, donc déformable sans cassure.

manteau terrestre (nom masculin)

Le manteau terrestre s’étend entre la croûte terrestre et 2 900 kilomètres de profondeur. Il est solide et composé d’un manteau supérieur et d’un manteau inférieur. Le manteau inférieur situé entre 2900 et 700 kilomètres est solide ductile. Le manteau supérieur est solide ductile entre 700 kilomètres et une limite variant entre 20 et 200 kilomètres. Il est solide rigide entre 20-200 kilomètres et 5-70 kilomètres. Cette partie rigide du manteau supérieur et la croûte (elle-même solide rigide) forment les plaques tectoniques. Celles-ci peuvent bouger comme des radeaux sur la partie ductile moins visqueuse du manteau supérieur. De grands mouvements existent dans le manteau.

panache mantellique (nom masculin)

Un panache mantellique est du matériel solide chaud qui se forme dans le manteau et remonte vers la surface en forme de champignon. Les panaches mantelliques peuvent se former à plus ou moins grande profondeur.

plaque tectonique (nom féminin)

Il existe plusieurs plaques tectoniques à la surface de la Terre. On en dénombre en général sept grandes et de nombreuses autres plus petites: la plaque nord-américaine, la plaque sud-américaine, la plaque africaine, la plaque eurasienne, la plaque océanique, la plaque antarctique, la plaque pacifique. Une plaque tectonique est un fragment de la lithosphère (la croûte terrestre et la partie solide rigide du manteau supérieur).

Figures

  

À gauche: Avant 2 Ma - fort magmatisme. À droite: Après 2 Ma - magmatisme plus occasionnel par panaches mantelliques

Minividéo

Voici une courte vidéo qui vous explique l'essentiel de l'article scientifique.
Bon visionnement! 

(La netteté de l'image peut n'apparaître qu'au bout de quelques secondes. Soyez patients!)

Quelques questions

• A- La surface de la Terre à sa formation était:
  1) solide.
  2) liquide.

• B- Le manteau terrestre était plus homogène:
  1)  à la formation de la Terre.
  2) à partir de 2 Ma.

• C- Les fragments de croûte présents à la base du manteau se sont réchauffés:
  1) à cause des éléments radioactifs.
  2) à cause de leur chute à travers le manteau.

• D- Le magmatisme a été plus important:
  1) dans la première partie du refroidissement de la Terre.
  2) dans la deuxième partie du refroidissement de la Terre.

Réponse aux questions

A-2. La Terre était particulièrement chaude à sa formation il y a 4,56 milliards d’années (Ma), en partie à cause de l’énergie cinétique libérée (transformée en énergie thermique - chaleur) lors de la formation des planètes, appelée l’accrétion. Sa surface aurait ressemblé à un océan de magma;

B-1. La Terre avait alors une composition chimique relativement uniforme de sa surface à son centre. Puis les éléments lourds comme le fer (Fe) et le nickel (Ni), ont été entrainés vers le centre et ont formé un noyau terrestre. Cette différenciation de la Terre en noyau et en manteau terrestres a libéré de l’énergie supplémentaire;

C-1. Des morceaux de croûte océanique formés en surface, emportés et déposés à la base du manteau - à cause de leur forte densité – enrichis en certains éléments radioactifs seraient rapidement devenus assez chauds et instables à la base du manteau, pour remonter vers la surface, de manière vigoureuse. L’uranium (²³⁵U et ²³⁸U), le thorium (²³²Th) et le potassium (⁴⁰K) sont les trois éléments radioactifs les plus importants;

D-1. Les éléments instables et chauds à la base du manteau terrestre sont remontés spontanément vers la surface. L’activité magmatique a été soutenue dans la première période du refroidissement de la Terre et a rendu difficile la stabilisation de plaques tectoniques rigides à la surface. Cette convection du manteau qui déplace le matériel est efficace pour libérer de la chaleur : c’est le processus principal de refroidissement de la Terre.