» > Au milieu du 20 e siècle, les données sismologiques nous ont informé sur les propriétés élastiques moyennes  : densité et vitesses des ondes de compression et de cisaillement en fonction de la profondeur (fig. 2). L’apport de la physique des matériaux a permis de connaitre la composition moyenne des différentes couches  : le manteau principalement constitué de silicates, le noyau externe liquide très riche en fer (avec 10% d’éléments légers) et la graine solide encore plus concentrée en fer. Dans le manteau supérieur, plusieurs discontinuités de structure globales ont été identifiées comme étant dues aux transformations de phase des silicates en fonction de la pression et de la température. Une nouvelle transformation de phase, découverte récemment (en 2004) dans la pérovskite de magnésium (MgSiO 4, désormais appelée bridgmanite), composant principal du manteau inférieur, pourrait être associée à une discontinuité sismique observée dans certains endroits autour du globe, à environ 200-300 km au-dessus de la limite noyau-manteau. a Croûte Olivine Pyroxène Grenat Pérovskites 6 Reflets de la Physique n°56 Solide Liquide < > Solide Noyau intérieur (graine) Noyau extérieur Couche D» Manteau inférieur Manteau supérieur Oxydes Alliage de fer Comportement dynamique de l’intérieur de la Terre La structure moyenne de la Terre (en « pelures d’oignon ») nous en donne une image statique, mais ne nous renseigne pas sur les processus dynamiques à l’origine des mouvements des plaques tectoniques. En effet, depuis la fin des années 1960, on sait que la Terre est couverte d’une vingtaine de plaques lithosphériques, d’une épaisseur moyenne de 40 km, qui se déplacent les unes par rapport aux autres à la surface. Les déformations sont concentrées à leurs frontières (fig. 3). Le long de zones de divergence (appelées dorsales ou rides), au milieu des océans, une nouvelle croûte se forme en permanence et repousse les plaques, ce qui les fait s’écarter (fig. 3a) ; dans les zones de subduction, les plaques plongent dans le manteau (fig. 3b) ; il y a aussi des zones, comme la faille de San Andreas en Californie, où les plaques coulissent l’une le long de l’autre (fig. 3c). La théorie de la tectonique des plaques explique ainsi un grand nombre d’observations de surface. Profondeur (km) 0 1000 2000 Densité 3000 4000 5000 6000 o Vitesse des ondes (km/s) 4 6 8 10 12 14 0 Vitesse des ondes de compression Vitesse des ondes de cisaillement Vitesse des ondes de cisaillement Vitesse des ondes de compression Couche D» 50 100 150 200 Densité 250 300 4 6 8 10 12 14 Densité (10 6 g/m 3) b 2. Propagation des ondes sismiques à l’intérieur de la Terre. (a) Modèle de l’intérieur de la Terre. La croûte et le manteau sont formés d’oxydes cristallins, tels que l’olivine, le pyroxène et le grenat dans le manteau supérieur, et des silicates de structure pérovskite dans le manteau inférieur. Le noyau est un alliage de fer, liquide à l’extérieur et solide au centre. (b) Variation de la densité (courbe bleue) et de la vitesse des ondes élastiques de compression (courbes violettes) et de cisaillement (courbes vertes) avec la profondeur dans le modèle de référence PREM (Preliminary Reference Earth Model, Dziewonski et Anderson, 1981). Dans le manteau, les vitesses des ondes augmentent avec la profondeur, avec des discontinuités à 400 et 600 km de profondeur. Les discontinuités noyau-manteau et graine-noyau liquide sont bien visibles, avec une vitesse de cisaillement nulle dans le noyau liquide, et à nouveau non nulle dans la graine solide. (Source  : R. Jeanloz et T. Lay, «The Core-Mantle Boundary», Scientific American, 268, n°5 (1993) 48-55). 350 Pression (Gigapascals) Alfred Wegener a proposé la théorie de la « dérive des continents » dès le début du 20 e siècle (1915). Mais, pendant longtemps, cette théorie n’a pas été acceptée, faute de comprendre l’origine des forces en jeu. On sait maintenant que le manteau terrestre, solide aux échelles de temps courts, se comporte comme un matériau visqueux à long terme et rend possible l’écoulement de matière par convection. Cette convection est alimentée par le refroidissement séculaire de la Terre et la production de chaleur dans le manteau terrestre par radioactivité. Les courants de convection dans le manteau terrestre ont des vitesses de quelques cm par an, du moins près de la surface. On peut le constater en mesurant le déplacement relatif des plaques, mues par des courants ascendants qui font monter le magma issu du manteau supérieur, formant la nouvelle croûte dans les zones de dorsales océaniques, ainsi que des courants descendants qui entrainent les plaques dans le manteau dans les « zones de subduction ». Ces idées simples expliquent une très grande partie des observations de surface, mais pas toutes. Par exemple, les variations du flux de chaleur à la surface et de la topographie des fonds marins en fonction de la distance à la dorsale (c’est-à-dire de l’âge de la plaque) ne sont pas celles attendues. Y a-t-il des sources de chaleur sous le milieu des plaques autres que celles qui sont responsables de la circulation principale définie par les rides et les zones de subduction ? Deux hypothèses ont été proposées  : Présence d’une convection secondaire ? Lors d’expériences de laboratoire dans un fluide en convection – chauffé par le bas, refroidi par le haut – et recouvert d’une plaque mobile, il se forme des rouleaux de convection secondaire, alignés parallèlement au mouvement de la plaque  : les rouleaux de Richter. Ils n’ont pas été observés de manière convaincante jusqu’à présent dans le cas de la Terre. Présence de volcanisme intra-plaque ? La tectonique des plaques explique le volcanisme en bordure de plaque. Par contre, elle ne permet pas de comprendre la présence des chaines de volcans « de points chauds » au milieu de l’océan Pacifique, alignés dans la direction du déplacement de la plaque et dont l’âge augmente avec la distance à la dorsale, comme à Hawaï. Tuzo Wilson a proposé en 1963 l’existence de « panaches volcaniques »  : ces volcans correspondraient