Comme nous l’avons évoqué dans le contexte du métamorphisme, la température interne de la Terre augmente avec la profondeur. Cependant, comme le montre la figure 9.10, ce taux d’augmentation n’est pas linéaire. Le gradient de température est d’environ 15° à 30°C/km dans les 100 km supérieurs ; il chute ensuite de façon spectaculaire dans le manteau, augmente plus rapidement à la base du manteau, puis augmente lentement dans le noyau. La température est d’environ 1000°C à la base de la croûte, d’environ 3500°C à la base du manteau, et d’environ 5000°C au centre de la Terre. Le gradient de température au sein de la lithosphère (100 km supérieurs) est très variable en fonction du contexte tectonique. Les gradients sont les plus faibles dans les parties centrales des continents, plus élevés à proximité des zones de subduction, et plus élevés encore aux frontières divergentes.
La figure 9.11 montre une courbe de température typique pour les 500 km supérieurs du manteau, en comparaison avec la courbe de fusion de la roche mantellique sèche. Dans l’intervalle de profondeur compris entre 100 et 250 km, la courbe de température est très proche de la limite de fusion de la roche mantellique sèche. À ces profondeurs, la roche du manteau est donc soit très proche de la fusion, soit partiellement fondue. Dans certaines situations, lorsque de la chaleur supplémentaire est présente et que la courbe de température croise la ligne de fusion, ou lorsque de l’eau est présente, elle peut être complètement fondue. Cette région du manteau est connue sous le nom de zone de basse vitesse, car les ondes sismiques sont ralenties à l’intérieur d’une roche proche de son point de fusion, et bien sûr, elle est également connue sous le nom d’asthénosphère. En dessous de 250 km, la température reste du côté gauche de la ligne de fusion ; en d’autres termes, le manteau est solide d’ici jusqu’à la limite noyau-manteau.
Le fait que le gradient de température soit beaucoup moins important dans la partie principale du manteau que dans la lithosphère a été interprété comme indiquant que le manteau est en convection, et donc que la chaleur des profondeurs est amenée vers la surface plus rapidement qu’elle ne le serait avec la seule conduction thermique. Comme nous le verrons au chapitre 10, un manteau en convection est une caractéristique essentielle de la tectonique des plaques.
La convection du manteau est un produit du transfert de chaleur du noyau vers le manteau inférieur. Comme dans une casserole de soupe sur un poêle chaud (figure 9.12), le matériau situé près de la source de chaleur devient chaud et se dilate, ce qui le rend plus léger que le matériau situé au-dessus. Sous l’effet de la force de flottaison, il s’élève et les matériaux plus froids affluent sur les côtés. Le manteau convecte de cette manière parce que le transfert de chaleur depuis le bas n’est pas parfaitement uniforme, et aussi parce que, même si le matériau du manteau est une roche solide, il est suffisamment plastique pour s’écouler lentement (à raison de centimètres par an) tant qu’une force constante lui est appliquée.
Comme dans l’exemple de la marmite à soupe, le manteau terrestre ne convectera plus une fois que le noyau se sera refroidi au point où le transfert de chaleur ne sera plus suffisant pour surmonter la résistance de la roche. Cela s’est déjà produit sur des planètes plus petites comme Mercure et Mars, ainsi que sur la Lune terrestre.
Pourquoi l’intérieur de la Terre est-il chaud ?
La chaleur de l’intérieur de la Terre provient de deux sources principales, chacune contribuant à environ 50% de la chaleur. L’une d’entre elles est la chaleur de friction laissée par les collisions de grandes et petites particules qui ont créé la Terre en premier lieu, plus la chaleur de friction ultérieure de la redistribution de la matière au sein de la Terre par les forces gravitationnelles (par exemple, l’enfoncement du fer pour former le noyau).
L’autre source est la radioactivité, spécifiquement la désintégration radioactive spontanée de 235U, 238U, 40K et 232Th, qui sont principalement présents dans le manteau. Comme le montre cette figure, la chaleur totale produite de cette manière a diminué au fil du temps (parce que ces isotopes s’épuisent), et représente aujourd’hui environ 25 % de ce qu’elle était lors de la formation de la Terre. Cela signifie que l’intérieur de la Terre devient lentement plus froid.