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Le modèle thermique du globe terrestre

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Objectifs
  • Comprendre le lien entre flux thermique et contexte géologique.
  • Définir les cellules de convection au sein du manteau.
Points clés
  • Le flux thermique est la quantité d’énergie thermique libérée à la surface du globe terrestre. Il est très élevé au niveau des zones de remontée du magma (dorsales, arcs volcaniques, points chauds) et très faible au niveau des fosses océaniques, point de départ de la subduction.
  • Alors que les dorsales sont alimentées par un magma se formant au sommet du manteau, les points chauds sont alimentés par un panache en provenance de la limite manteau-noyau, ce qui correspond à un mouvement ascendant de matière chaude. 
  • Au niveau des zones de subduction, la lithosphère froide, en s’enfonçant dans l’asthénosphère, crée un mouvement descendant de matière froide.
  • Ces mouvements de matière à l’intérieur du globe forment des cellules de convection dans le manteau qui permettent l’évacuation de l’énergie thermique et servent de moteur à la tectonique des plaques.
Pour bien comprendre
  • Les dorsales, frontières de plaques divergentes.
  • Le magmatisme en zone de subduction.
  • Flux thermique et gradient géothermique.
  • Les modes de transfert de l’énergie thermique.
1. Flux thermiques et contextes géothermiques
Le flux thermique se définit comme la quantité d’énergie thermique libérée à la surface du globe.

Le flux thermique n’est pas homogène. Il est très élevé au niveau des dorsales océaniques et très faible au niveau des fosses océaniques.

 

Il existe donc un lien direct entre flux thermique et contexte géologique.

a. Les zones à flux thermique élevé
La dorsale océanique, un contexte géologique favorable

La dorsale est constituée par une chaîne de volcans effusifs. Elle est le siège d’une remontée quasi-permanente de magma très chaud qui provient de la partie superficielle du manteau. Cette présence de magma permet de chauffer localement les roches et favorise la libération en surface de la chaleur accumulée dans le manteau.

L’arc volcanique associé aux zones de subduction

Au niveau des zones de subduction, un magma se forme en profondeur grâce à l’hydratation localisée de la péridotite. Ce magma remonte ensuite en direction de la surface et vient s’encaisser dans des poches magmatiques, ou plutons. Une fraction de ce magma atteint la surface grâce à des cheminées, ce qui favorise là encore la libération de l’énergie thermique interne du globe.

Ainsi, toute activité volcanique qui contribue à la remontée de matériaux chauds à la surface du globe contribue au flux thermique. Cela concerne aussi les volcans de points chauds.

b.  Les zones à flux thermique faible

Le flux thermique enregistré au niveau des fosses océaniques est inférieur au flux moyen à la surface du globe.

2. Les transferts thermiques à l'intérieur du globe terrestre
a. L'origine de l'énergie thermique

L’énergie thermique produite par le globe terrestre a plusieurs origines : le noyau et les éléments radioactifs présents dans les différentes couches concentriques. Le manteau est la couche qui produit le plus d’énergie.

b. Des mouvements de convection dans le manteau

Ainsi, il est possible d’envisager des mouvements ascendants de matériaux chauds provenant de la limite noyau-manteau. Ces derniers alimentent les points chauds et correspondent aux panaches visibles en tomographie sismique.

Ils sont compensés par les mouvements descendants de matériaux froids matérialisés par la lithosphère océanique subduite.

La combinaison de ces deux mouvements constitue la cellule de convection interne au manteau.

c. L'accrétion océanique, une conséquence des mouvements de convection

Le mouvement de subduction opère une traction au niveau des croûtes superficielles qui vont s’amincir, ce qui va favoriser la remontée des isothermes. Ainsi, localement, les conditions de pression et de température peuvent devenir favorables à la fusion partielle du sommet du manteau, où une dorsale se forme ! Le flux thermique y est élevé et c’est là que se crée la lithosphère océanique. Ce phénomène est appelé accrétion océanique. Par contre, de part et d’autre, la croûte terrestre se montre peu favorable à la conduction de la chaleur vers la surface.

Ainsi, la production d’énergie thermique interne au globe est le moteur de la tectonique des plaques. Elle conduit à des mouvements de convection dans le manteau. Dans les années 1960, les premiers modèles de la tectonique des plaques proposés laissaient supposer que les mouvements ascendants des cellules de convection étaient ceux des dorsales. Nous savons désormais qu’ils prennent naissance à l’aplomb des points chauds. Cependant, l’explication de l’origine du mouvement descendant de ces cellules est restée la même depuis ces premiers modèles : ce mouvement de matière froide est constitué par la subduction des plaques.

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