Du Mexique à Yellowstone

Les eaux chaudes du parc de Yellowstone, dans l’Ouest américain, font le bonheur des touristes. Les géologues ne sont pas en reste :  ils se demandent depuis 50 ans d’où vient cette chaleur. Une nouvelle étude propose qu’il s’agit d’un « panache mantellique » qui plonge en diagonale jusqu’à 2500 m de profondeur, sous la péninsule de Basse-Californie.

Un dossier de Mathieu Perreault

Un tunnel volcanique de 2000 km

Un cylindre légèrement conique de 350 km de diamètre, dont l’origine se trouve à près de 2000 km au sud de Yellowstone. Telle est la forme du « panache mantellique » qu’a observé sur ses capteurs sismiques un géologue de l’Université du Texas, Peter Nelson. Il s’agit de la dernière péripétie d’un débat qui divise la géologie.

Panaches mantelliques

« Quand les zones volcaniques ne se trouvent pas exactement sur les frontières entre les plaques tectoniques, la théorie des panaches mantelliques veut qu’elles soient alimentées directement depuis l’interface entre le noyau liquide et le manteau solide de la Terre », explique Peter Nelson, qui est l’auteur principal de l’étude publiée ce printemps dans la revue Nature Geoscience. « Le problème, c’est que depuis l’élaboration de la théorie dans les années 70, on n’a pas réussi à voir ces canaux amenant le magma près de la surface. La résolution des réseaux sismiques n’est pas assez bonne. Avec la mise en service du réseau USArray, par contre, il est devenu possible de voir des panaches mantelliques ayant moins de 600 km de diamètre. C’est ce qui m’a permis d’arriver à mes conclusions. »

Hélium primordial

Parmi les preuves que le magma alimentant la région thermale de Yellowstone provient de très loin dans le manteau terrestre, l’une des plus importantes est la proportion de deux isotopes d’hélium (qui ont des nombres différents de neutrons dans leur noyau). « L’hélium 3 est l’hélium primordial qui était présent quand la Terre s’est formée, dit M. Nelson. L’hélium 4 est formé depuis par la désintégration radioactive. Si, dans des roches, il y a beaucoup d’hélium 3 par rapport à l’hélium 4, comme à Yellowstone, ça veut dire qu’elles sont très vieilles, qu’elles proviennent d’une région du manteau terrestre qui n’a pas beaucoup subi de mélanges, donc très en profondeur. »

Réseau sismique

Le réseau USArray est constitué de 400 stations sismiques qui ont été installées à 2000 emplacements aux États-Unis et dans le sud du Canada, de 2007 à 2017. Elles ont enregistré des milliers de petits tremblements de terre. L’intensité et le moment où chaque station a perçu chaque tremblement de terre permettent aux géologues de modéliser le sous-sol du continent, puisque les ondes sismiques se transmettent différemment selon la densité et la température des roches. Peter Nelson a calculé une anomalie d’une seconde pour détecter le panache mantellique de Yellowstone.

La sceptique

La Presse a demandé leur avis à une demi-douzaine de géologues dont les travaux étaient cités par l’étude de Peter Nelson. L’une d’elles, Gillian Foulger, de l’Université de Durham, en Angleterre, a été cinglante dans ses critiques. « L’un des points remarquables à propos des nombreuses études sismiques sur Yellowstone est que chacune a donné des résultats différents. On pourrait penser que le hasard ferait qu’au moins deux arriveraient à la même conclusion. Et pourtant, curieusement, Nature ne publie que celle-ci. J’imagine qu’il est plus excitant de rapporter la découverte d’un panache mantellique que son absence. » Selon M. Nelson et trois autres experts consultés par La Presse, Mme Foulger est en minorité dans son opposition aux panaches mantelliques (elle estime que tout le volcanisme est lié aux plaques tectoniques), et elle a même mis sur pied un site destiné à combattre la théorie, mantleplumes.org.

Les défenseurs

Le géologue Bernhard Steinberger, du Centre allemand de recherches en géosciences à Potsdam, avait prédit dans une étude de 2002 qu’on découvrirait que le panache mantellique alimentant Yellowstone est incliné vers le sud. « Je trouve très intéressant que cette nouvelle étude modélise un panache semblable au mien, mais deux fois plus incliné, dit M. Steinberger. Une autre équipe, avec des techniques différentes, avait calculé plus tôt cette année qu’il y a sous Yellowstone deux anomalies profondes, à 410 et 660 m, qu’on peut expliquer par le mouvement d’un panache de magma. Je crois que ça met un terme au débat, malgré la publication d’études niant l’existence d’un panache ces dernières années. La très grande résolution sismique de USArray est vraiment un argument massue. » De son côté, Vincent Courtillot, géophysicien à l’Institut de physique du globe à Paris, souligne que le coauteur de M. Nelson est un « spécialiste reconnu » de l’analyse sismique. « Gillian Foulger est depuis des années une farouche opposante des “plumes” venant de la limite manteau-noyau (CMB), ajoute M. Courtillot. Elle a été rejointe par le grand sismologue Don Anderson dans les dernières années de sa vie. J’ai eu de grandes discussions avec elle, qui ne m’ont pas convaincu. »

Les autres panaches

D’autres sites thermaux sont sous la loupe des géologues. « Mais soit ils sont au fond des mers, où la sismologie est difficile, soit ils sont dans des régions où n’existent pas de réseau sismique aussi performants que USArray », explique Peter Nelson. Voici quelques exemples.

Hawaii aussi

En 2009, des chercheurs californiens ont décelé un panache mantellique de 600 km de large, qui s’enfonce dans la Terre à 1500 km sous Hawaii. « C’est le même problème qu’avec les autres zones sous-marines, la résolution des appareils sismiques n’est pas très bonne », dit Peter Nelson. Gillian Foulger estime que cette étude de 2009 sur Hawaii tire aussi des conclusions erronées.

Ailleurs dans le monde

Il existe une soixantaine d’autres sites qui pourraient être alimentés par un panache mantellique. L’un des endroits les plus prometteurs, selon Peter Nelson, est Afar, en Éthiopie, une région désertique où se trouvent des étangs d’eau thermale extrêmement acides.

Les vents mantelliques

Le manteau de la Terre a ses vents, comme l’atmosphère. « Il s’agit de différences de température et de densité, qui provoquent des mouvements des sols, comme la convection pour l’air de l’atmosphère, dit Peter Nelson. Évidemment, on parle de vents qui ont une vitesse de quelques centimètres par année. »

La Terre en coupe

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