Les données électromagnétiques imagent des zones du manteau plus conductrice que l’olivine sèche. Il y a peu d’ambiguïté sur le fait qu’un liquide est thermodynamiquement stable et présent au niveau de l’asthénosphère, mais son impact sur la conductivité électrique du manteau reste débattu. Les études pétrologiques réalisées ces 30 dernières années ont montré qu’une péridotite exposée aux conditions the P-T-fO₂ de l’asthénosphère produisait des liquides riches en H₂O and CO₂, mais les conductivités électriques de ces liquides sont mal connues. Pour cette raison, des expériences de conductivité électrique ont été réalisées en piston cylindre sur des liquides riches en H₂O and CO₂. Différentes compositions de liquides ont été explorées, des liquides carbonatés aux basaltes. Les effets de la composition chimique et des volatiles sur ces liquides ont été déterminés. Les mesures de conductivités électriques ont montré que les liquides hydratés et carbonatés sont très conducteurs, et que l’incorporation de basalte décroit la conductivité. Avec ces nouvelles données, un modèle semi-empirique calculant la conductivité en fonction des teneurs en H₂O and CO₂ a été produit. Sur la base de ce modèle et de la conductivité électrique de l’olivine, des profils 1D de conductivité ont été construits. Avec ces profils, l’effet des teneurs en volatiles (partagé entre le liquide et le solide), les fractions de liquides (loi de mélange et interconnexion du liquide) et les différents régimes de température sur la conductivité ont été discutés. Ces calculs ont été considérés en milieu océanique et continental pour différents âges. La conductivité électrique du manteau est donc un outil puissant pour suivre les processus fondamentaux de la fusion du manteau, qui est à son tour étroitement liée aux cycles de H₂O and CO₂ dans le manteau supérieur. / Electromagnetic data images mantle regions more conductive than that of dry olivine. There is no doubt that melt is thermodynamically stable and present in the asthenosphere, but how they can impact on mantle electrical conductivity remains debated. Petrological studies realized some 30 years ago have shown that peridotites exposed at the P-T-fO₂ conditions of the asthenosphere produced H₂O and CO₂ rich-melts, but electrical conductivities of these melts are poorly known. Therefore, electrical conductivity experiments have been performed in piston cylinder on H₂O-CO₂ rich melts. Different melt compositions have been explored, from carbonated melts to basalts. The effects of chemical compositions and volatiles on these melts have been determined. The electrical conductivity measurements have shown that hydrous carbonated melts are very conductive, and the incorporation of basalt decreases the conductivity. With these new data, a semi-empirical law predicting the conductivity as a function of H₂O and CO₂ contents has been produced. Based on this law and the electrical conductivity of olivine, 1D conductivity profiles were constructed. With these profiles, the effect of volatile contents (partitioned between the melt and in the solids), melt fractions (mixing law and interconnection of the melt) and different temperature regimes on conductivity are discussed. These calculations are conducted on oceanic and continental settings with different ages. The electrical conductivities of the mantle is thus a powerful tool to track the fundamental process of mantle partial melting, which is in turn narrowly associated to the cycling of H₂O and CO₂ in the upper mantle.

Le manteau terrestre est hétérogène, mais les caractéristiques de ses réservoirs sont inconnues. Nous avons donc étudié un système simple, dans lequel deux fluides miscibles de densités et de viscosités différentes sont soumis à un contraste thermique déstabilisant. À faible nombre de flottabilité B (rapport entre la stratification chimique et l'anomalie thermique de densité), la convection se développe sur l'intégralité du système, tandis qu'à B plus fort, les fluides convectent séparément. Dans les deux cas, le mélange prend place progressivement. Plusieurs comportements transitoires sont cependant possibles, parmi lesquels le régime pulsatif où de grands dômes oscillent sur toute l'épaisseur du système. Sur Terre, notre modèle analogique suggère une évolution depuis un régime à deux couches vers un régime à une couche. Une dynamique pulsative serait susceptible de fournir une explication simple aux grandes pulsations géologiques enregistrées sur les planètes terrestres.

Les ferrofluides sont des colloïdes stables de nanoparticules. L'action d'un champ magnétique est à même d'engendrer diverses instabilités hydrodynamiques, qui se produisent aux interfaces ou en volume. Après une courte introduction aux ferrofluides, trois situations sont examinées. Les ondes de surface sont amplifiées par un champ magnétique normal à l'interface, conduisant à l'instabilité de Rosensweig. Une expérience est réalisée pour mesurer la relation de dispersion obtenue théoriquement par l'analyse linéaire. La méthode ombroscopique employée permet de visualiser une déformation prétransitionnelle de l'interface, ainsi que l'apparition d'ondes azimutales au voisinage du champ critique de l'instabilité. La résistance de vague est la force qui s'oppose au déplacement d'un objet en surface,causée par l'émission d'ondes de surface. Si sa taille est très petite devant la longueur capillaire, la résistance de vague est nulle en deçà d'une vitesse critique, puis fonction croissante de la vitesse de déplacement. Une expérience a été réalisée afin d'observer ces prédictions théoriques récentes. Des fluides de différentes viscosités ont été employés. Avec des ferrofluides, il est possible de réduire a volo la vitesse critique. Dans tous les cas, le phénomène critique est bien observé conformément à la théorie. Cependant, la résistance de vague paraît être une fonction non-monotone de la vitesse. Enfin, les propriétés originales des ferrofluides permettent de concevoir une expérience de convection magnéto-calorique en géométrie centrale, en tous points semblable à la convection de Rayleigh-Bénard. Moyennant l'utilisation de lois d'échelle appropriées, un modèle de laboratoire est élaboré qui simule la convection dans le manteau terrestre!: le nombre de Rayleigh avoisine le million. Le champ de température est observé par thermographie infrarouge. Des cellules de convection mobiles sont observées, et le nombre de Nusselt est obtenu en fonction du nombre de Rayleigh.

La modélisation de la nature (minéralogie, composition) et de la dynamique du manteau terrestre nécessite la connaissance des propriétés de ses minéraux constitutifs à haute pression (HP, 1-135 GPa) et haute température (HT, 1000-3000K). En particulier, les grandeurs thermodynamiques (enthalpies de formation, entropies, volume, ... ) contrôlent la stabilité des minéraux dans l'espace pression-température. Dans une première approche dite "macroscopique", les capacités calorifiques de la forstérite et de ses analogues, du pyrope et du spinelle sont mesurées par calorimétrie à HT. Les données de dilatation thermique et de compressibilité sont tirées de mesures de volume à HP et HT. On dispose alors d'un ensemble de données qui permet de mettre en évidence, pour la plupart de ces minéraux, un comportement anharmonique à HT. Dans une seconde approche "microscopique", les propriétés thermodynamiques d'un minéral sont calculées par modélisation vibrationnelle à partir de ses spectres infrarouge et Raman. Une méthode originale de mesure de l'anharmonicité est développée, fondée sur l'enregistrement des spectres vibrationnels à HP et HT. On montre alors pourquoi et comment les valeurs des capacités calorifiques s'écartent à HT de la limite prédite par une théorie harmonique. Cette méthode "microscopique" originale, qui ne nécessite que quelques milligrammes de matière, est ainsi développée et testée sur des matériaux pour lesquels elle peut être confrontée aux données "macroscopiques" (e.g. calorimétrie). Elle pourra dans l'avenir être appliquée aux phases de très haute pression du manteau terrestre, dont la métastabilité et les faibles quantités synthétisées empêchent la caractérisation par les méthodes classiques "macroscopiques".

A partir d'une revue générale des données physico-chimiques relatives au globe terrestre, puis d'hypothèses avancées par certains auteurs, nous allons tenter de discerner les princip ux facteurs connus qui président à la répartition des éléments sur notre planète et plus particulièrement dans son enveloppe.

La caractérisation des magmas primitifs des laves a pour objectif de mieux contraindre les conditions physico-chimiques de la fusion partielle, les modes d'extraction et de transport des magmas et la composition chimique et minéralogique du manteau terrestre. L'intérêt de l'étude des inclusions magmatiques piégées dans les phénocristaux précoces des basaltes réside dans l'isolation de ces liquides silicatés vis à vis des processus secondaires de différenciation et de mélange. Ce travail avait pour but la caractérisation des inclusions magmatiques dans des olivines primitives dans deux contextes géodynamiques distincts - les rides médio-océaniques et les points chauds océaniques – en s'articulant autour de deux exemples régionaux : la zone FAMOUS (ride médio-Atlantique Nord) et le point chaud de la Réunion.<br />Les inclusions magmatiques piégées dans un échantillon de la zone FAMOUS (ride médio-Atlantique Nord) se caractérisent par une variabilité importante de leurs teneurs en éléments majeurs et traces, qui excède largement la variabilité chimique des laves émises en surface dans la région. Les liquides inclus sont très primitifs (Mg# = 0.70-0.78) et présentent des similitudes de composition avec les liquides expérimentaux issus de la fusion partielle de lherzolites à spinelle à 1 GPa. Les compositions en éléments en traces évoluent depuis des compositions relativement appauvries ((La/Sm)N<0.75) jusqu'à des compositions légèrement enrichies ((La/Sm)N>1.2). Des modélisations géochimiques suggèrent qu'une grande part de la diversité chimique des inclusions résulte du processus de fusion polybare d'une source de composition homogène. Toutefois, une variation locale de la température potentielle et de la teneur en H2O du manteau semble requise pour reproduire certaines variations en éléments majeurs. Nous n'avons pas décelé de modifications chimiques des magmas liées à des interactions magma/roche (dissolution du clinopyroxène) lors de la ségrégation et l'ascension.<br />L'étude des inclusions magmatiques dans les olivines d'échantillons de l'île Maurice et l'île de la Réunion a mis en évidence une transition entre des liquides alcalins à transitionnels vers des basaltes à affinité tholéiitique. Cette évolution peut vraisemblablement être expliquée par une augmentation du degré de fusion d'une source péridotitique. D'autre part, la composition chimique et isotopique homogène au cours du temps du panache de la Réunion nous a autorisés à calculer la séquence d'incompatibilité des éléments traces lors du processus de fusion partielle à l'origine des liquides inclus. Les résultats indiquent un comportement très incompatible du Pb, alors que celui-ci est généralement considéré comme voisin du celui du Ce lors de la fusion dans un environnement océanique. Cette observation implique l'absence de sulfure résiduel dans la source du panache lors de l'extraction des magmas, ce qui singulariserait la source du panache de la Réunion des autres sources d'îles océaniques. Enfin, une modélisation de la source du panache suggère une composition relativement comparable à celle du manteau primitif, mais toutefois légèrement appauvrie en éléments les plus incompatibles. Ainsi, la source de la Réunion est constituée d'un manteau faiblement appauvri par l'extraction de la croûte continentale, qui, par la suite, n'a pas ou peu été modifié par les processus de différenciation ou de recyclage.

Le couplage entre la tectonique des plaques et la convection mantellique est généralement étudié avec des modèles numériques dans lesquels le nombre de plaques est fixé a priori. Nous présentons ici un nouvel outil : le modèle MACMA (MAnteau Convectif Multi-Agents) simule une tectonique variable dans le temps, avec des frontières de plaques mobiles dans une géométrie cylindrique 2D. Les vitesses de plaques sont calculées à partir d'un bilan de forces individuel et des mécanismes explicites sont utilisés pour simuler la dynamique des frontières de plaques, décrivant en particulier l'initiation des subductions, la migration des fosses de subduction, la rupture de lithosphère continentale (ouverture d'un océan) et la suture de plaques. La géométrie et l'état thermique du système sont ainsi mis à jour à chaque pas de temps. Dans notre modèle, le nombre de plaques tectoniques émerge donc naturellement de leur interaction. Cette approche est basée sur des systèmes multi-agents en interaction thermique et mécanique. Notre modèle met en jeu quatre types d'agents : cellules de convection, plaques lithosphériques, continents et frontières de plaques. Ces agents collectent des informations dans leur environnement pour prendre des décisions en fonction de règles de comportement incorporées dans le modèle géophysique. Le développement de cette méthode présente deux objectifs : (1) examiner dans quelle mesure des lois de comportement analytiques et empiriques peuvent affecter la dynamique des plaques, et (2) évaluer l'impact des mécanismes de surface de la tectonique des plaques sur l'évolution thermique du manteau. Nous obtenons des prédictions des forces motrices et des vitesses de plaques de la tectonique qui sont en bon accord avec les observations. De plus, notre modèle met en évidence le rôle clé joué par la distribution des âges du plancher océanique sur les fluctuations de flux de chaleur à la surface du manteau, soulignant ainsi l'importance des changements structurels à l'échelle locale (par exemple, la création d'une nouvelle dorsale océanique). D'autre part, en utilisant dans nos simulations les estimations courantes de la température et de la viscosité du manteau, la configuration actuelle des plaques correspond à une phase de décroissance du flux de chaleur, corroborant ainsi le comportement thermique déduit des reconstructions tectoniques récentes. Sur le long terme, l'histoire thermique terrestre est généralement étudiée à partir de lois d'échelle reliant le flux de chaleur surfacique à la température et à la viscosité du manteau convectif. Cependant, une telle paramétrisation du flux conduit à une divergence de la température dans le passé, quand elle est utilisée dans le bilan thermique global de la planète pour calculer l'état thermique de la Terre en remontant le temps à partir de la valeur actuelle de flux de surface. Afin d'étudier le taux de refroidissement de la Terre en utilisant des processus tectoniques explicites, nous avons mis à profit le faible temps de calcul du modèle MACMA pour étudier l'effet d'un large panel de paramètres physiques sur l'évolution thermique à long terme du système. Pour des paramètres terrestres, un taux de refroidissement moyen de 60 K par milliard d'années est obtenu sur 3 Ga, ce qui respecte les contraintes pétrologiques et rhéologiques dont disposent les géologues, sans pour autant invoquer une tectonique plus lente dans le passé, comme cela est souvent fait pour éviter la catastrophe thermique obtenue par les méthodes classiques de paramétrisation. Deux échelles de temps apparaissent donc dans l'évolution du flux de chaleur : une décroissance monotone sur le long terme (plusieurs milliards d'années) et des fluctuations de forte amplitude à court terme dues aux réarrangements structurels de la tectonique des plaques. Nous montrons que la viscosité du manteau n'est pas un paramètre clé de l'évolution thermique du système. Le taux de refroidissement de la planète dépend principalement de sa capacité à remplacer du plancher océanique vieux et isolant par une lithosphère jeune donc fine. Ainsi, les principaux paramètres de contrôle sont liés aux processus de surface, tels que le seuil de rupture continentale et l'âge critique d'initiation des subductions. Nous déduisons de cette étude que la convection mantellique seule ne peut rendre compte de la complexité du refroidissement du manteau à différentes échelles de temps, et que ce sont les processus tectoniques de surface qui contrôlent l'évolution thermique de la Terre.