Une étude, dont les résultats intitulés «Pure climb creep mechanism drives flow in Earth’s lower mantle» ont été publiés dans la revue Science Advances, a permis, grâce à une modélisation numérique multi-échelles de la déformation plastique des principaux minéraux du manteau terrestre, de montrer que les mécanismes de déformation habituellement invoqués en mécanique des roches (fluage par dislocation ou par diffusion de défauts ponctuels) sont fortement inhibés dans les conditions de pression du manteau.

Rappelons tout d'abord que «la Terre, comme sans doute de nombreuses planètes, évacue sa chaleur interne grâce à de vastes mouvements de convection qui brassent avec une infinie lenteur un manteau de roches solides épais de près de 3 000 km». La structure des minéraux, qui constituent ces roches soumises à de très fortes pressions, «est bien différente de celle des minéraux que l’on rencontre à la surface de la Terre».

Un mécanisme particulier de déformation de ces roches «est couramment observé dans les roches de la croûte terrestre et du manteau supérieur : sous l’action des contraintes qui entrainent la convection, des défauts appelés dislocations peuvent se déplacer dans les cristaux et provoquer des cisaillements conduisant à leurs déformations». Il apparaît cependant que la signature de ce mécanisme, connu «pour générer une orientation préférentielle des minéraux, source d’une anisotropie de propagation des ondes sismiques caractéristique», n’est pas présente «de façon significative dans le manteau inférieur».

 
De ce fait, un autre mécanisme de déformation «est généralement évoqué, en lien avec des défauts ponctuels générés par la présence d’impuretés et appelés lacunes car ce sont des sites cristallographiques où les atomes qui devraient s’y trouver sont manquants», ce qui rend possible à haute température le déplacement de tels défauts qui aboutit à des déformations plastiques.

Le problème est que, la diffusion de ces défauts étant lente, cela impose l'existence «de très petites tailles de grains (moins d’un micromètre)» pour «rendre compte des vitesses de déformation liées à la convection dans la Terre profonde», ce qui semble, «même si la taille des grains dans le manteau profond est très mal connue», très peu réaliste au regard de la température qui y règne.

 
Comme jusqu'ici, aucune de ces deux approches ne permettait «d’expliquer de manière satisfaisante la déformation des roches dans le manteau profond», l'étude ici présentée a «développé une approche basée sur la modélisation multi-échelle de la plasticité de ces roches» pour analyser «le comportement mécanique des principaux minéraux du manteau, en particulier de la bridgmanite qui domine la minéralogie du manteau inférieur».

Il est ainsi apparu «que la pression inhibe fortement le glissement des dislocations dans la bridgmanite et qu’il faut donc de fortes contraintes pour déformer ce matériau». Il en résulte «que le mécanisme impliquant des dislocations ne peut donc opérer aux faibles contraintes régnant dans le manteau». Un mécanisme alternatif a cependant pu être mis en évidence: «à défaut de glisser, les dislocations peuvent absorber ou émettre des lacunes et ainsi se déplacer hors de leurs plans de glissement, un déplacement appelé 'montée'».

Déjà évoqué en sciences des matériaux, ce mécanisme, baptisé dans cette étude 'fluage par montée pure', «permet de reproduire les vitesses de déformation observées dans le manteau» et comme il est «indépendant de la taille des grains, il n’impose pas de contrainte sur ce paramètre pour être efficace». En outre, il est «parfaitement compatible avec les observations sismiques», car il «n’induit pas d’orientations préférentielles des cristaux».

Ce travail, qui «offre un nouveau cadre conceptuel à la modélisation de la viscosité du manteau» mettant en œuvre «l’action combinée des dislocations et des défauts ponctuels», montre «la nécessité de mieux connaître la chimie et la diffusion des défauts ponctuels du manteau pour mieux contraindre sa rhéologie».