Pourquoi les roches fondent-elles sur Terre, d’ailleurs ?

Je reçois beaucoup de questions ici à Eruptions, mais l’un des thèmes les plus courants concerne les propriétés des roches – et plus précisément pourquoi elles fondent là où elles fondent pour produire du magma ? Il y a beaucoup d’idées fausses sur l’intérieur de la Terre, notamment que les plaques tectoniques qui nous abritent (les plaques continentales et océaniques) sont assises sur une « mer de magma » qui constitue le manteau. Comme je l’ai déjà dit, le manteau de la Terre, cette couche de roches silicatées qui commence à environ 10-70 km de profondeur et descend jusqu’au noyau externe à environ 2900 km de profondeur, et qui constitue un grand volume de la planète, n’est pas fondu, mais plutôt un solide qui peut se comporter plastiquement. Cela signifie qu’elle peut couler et convecter, ce qui est l’une des façons dont les géologues ont théorisé que le mouvement des plaques est initié et soutenu. Cependant, comme nous le savons, les roches se trouvent entièrement fondues à l’intérieur de la Terre, alors comment une si grande partie de la planète peut être solide mais que certaines parties fondent également ?

Voir plus

Cela commence par la question « comment fait-on fondre une roche » ? La réponse la plus directe qui pourrait vous venir à l’esprit est « augmentez la température ! ». C’est ce qui se passe avec la glace — c’est de l’eau solide qui fond lorsque la température dépasse 0ºC/32F. Cependant, lorsqu’il s’agit de roches, nous rencontrons un problème. La Terre n’est en fait pas assez chaude pour faire fondre les roches du manteau, qui sont à l’origine du basalte des dorsales médio-océaniques, des points chauds et des zones de subduction. Si nous supposons que le manteau qui fond est constitué de péridotite*, le solidus (le point où la roche commence à fondre) est de ~2000ºC à 2o0 km de profondeur (dans le manteau supérieur). Or, les modèles du gradient géothermique (la température augmente avec la profondeur, voir ci-dessus) sur la Terre, lorsque l’on descend à travers la croûte vers le manteau supérieur, situent la température à 200 km entre 1 300 et 1 800 °C, soit bien en dessous du point de fusion de la péridotite. Donc, si c’est plus froid à mesure que vous vous dirigez vers le haut, pourquoi cette péridotite fond-elle pour former du basalte ?

Eh bien, c’est là que vous devez arrêter de penser à la façon de chauffer la roche jusqu’à la fusion, mais plutôt à la façon de changer le point de fusion (solidus) de la roche. Pensez à notre analogie avec la glace. Pendant l’hiver, il y a beaucoup de moments où vous aimeriez vous débarrasser de cette

glace mais la température ambiante est inférieure à celle de l’air. Alors, que faire ? L’une des solutions consiste à faire fondre la glace à une température plus basse en rompant la liaison entre les molécules de H2O, ce qui permet d’arrêter la formation de glace rigide. Les sels sont un excellent moyen de perturber ce processus, alors jetez un peu de NaCl ou de KCl sur la glace et elle fondra à une température inférieure à 0ºC. Pour une roche, l’eau se comporte comme son sel. Ajoutez de l’eau dans une péridotite du manteau et elle fondra à une température plus basse car les liaisons des minéraux qui composent la roche seront perturbées par la molécule d’eau (nous l’appelons un « modificateur de réseau »). Dans une zone de subduction (comme les Cascades ou les Andes), où une plaque océanique glisse sous une autre plaque, la dalle descendante libère son eau en se réchauffant. Cette eau remonte alors dans le manteau qui la surplombe, ce qui provoque sa fusion à une température plus basse et, bam ! Du basalte est produit dans le processus appelé fusion par flux.

Attendez ! Le plus grand système volcanique de la Terre est celui de la dorsale médio-océanique, où il n’y a pas de subduction pour faire descendre l’eau dans le manteau et favoriser la fusion. Maintenant, pourquoi y a t’il du basalte ? Cette fois, nous devons utiliser une autre méthode pour faire fondre cette péridotite : nous devons la décompresser à température constante. C’est ce qu’on appelle la remontée adiabatique. Le manteau est en train de conveire, faisant remonter le manteau chaud des profondeurs vers la surface et, ce faisant, le matériau du manteau reste chaud, plus chaud que les roches environnantes. Le point de fusion (solidus) de la péridotite change avec la pression, ainsi le point de fusion de 2000ºC à 200 km n’est que de ~1400ºC à 50 km. Donc, si vous gardez ce matériau du manteau chaud et le décompressez, vous obtenez une fusion pour former du basalte ! Donc, sous les dorsales médio-océaniques (et aux points chauds comme Hawaii), le manteau remonte, ce qui provoque une fusion par décompression.

Revoyons les choses : Dans des conditions normales, une roche mantellique comme la péridotite ne devrait pas fondre dans le manteau supérieur de la Terre — elle est tout simplement trop froide. Cependant, en ajoutant de l’eau, on peut abaisser le point de fusion de la roche. Ou bien, en décompressant la roche, on peut l’amener à une pression où le point de fusion est plus bas. Dans les deux cas, un magma basaltique se formera et, considérant qu’il est plus chaud et moins dense que la roche environnante, il percolera vers la surface… et une partie de ce magma entrera en éruption !

*Le manteau n’est absolument pas homogène, mais pour nos besoins, nous nous intéressons à ce que nous appelons le « manteau fertile » — c’est-à-dire le manteau qui n’a pas connu de fusion auparavant et qui peut produire du liquide basaltique.