Confirmation expérimentale de la fusion partielle du manteau terrestre profond

Mardi, 19 décembre 2017

La structure et la dynamique interne de la Terre ont un fort impact sur les phénomènes géologiques se produisant à la surface du globe, comme le volcanisme et la tectonique des plaques. Depuis plusieurs années, certains modèles proposent la présence de magmas à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur dans le manteau terrestre. Or des chercheurs du Laboratoire magmas et volcans (LMV/OPGC, UCA / CNRS / IRD / UJM) et de la Case western reserve university (USA) viennent de reproduire expérimentalement la fusion partielle des roches mantelliques aux conditions régnant à la base du manteau supérieur, entre 350 et 410 km de profondeur, soit 12-15 GPa, environ 1400°C et en présence d’un peu d’eau. Pour la première fois, ils ont pu observer in situ l’effet de la fusion sur la vitesse de propagation des ondes sonores et la conductivité électrique. Les signaux qu’ils ont mesurés sont tout à fait compatibles avec les mesures géophysiques, ce qui confirme la présence d'une fine couche partiellement fondue à ces profondeurs, dans le manteau.

La structure interne de la Terre est bien connue dans son ensemble, mais elle réserve encore quelques zones d’ombre. Entre 410 et 660 km de profondeur, se situe la zone de transition qui est considérée comme le plus grand réservoir d’eau de notre planète (jusqu’à 2 fois la masse des océans) à la faveur de minéraux dont la structure cristallographique permet l'incorporation d'hydrogène. Ces roches ne sont pas piégées dans cette zone indéfiniment, mais bien soumises à des mouvements verticaux associés à la convection globale du manteau terrestre. Leur remontée passive au-dessus de 410 km s’accompagne d'un changement de structure cristallographique du composé principal qui se transforme de wadsleyite en olivine. L’olivine ne pouvant incorporer qu'une relativement faible quantité d'hydrogène, cette transformation de phase entraîne la libération d'eau et la fusion partielle du manteau. C'est précisément ce modèle que les chercheurs ont confirmé par la reproduction à l'identique de la fusion partielle dans les conditions de pression, température et de concentration en eau typiques du manteau terrestre profond.

Pourtant, la confirmation expérimentale de ce phénomène n'était pas chose simple. Il fallait d'une part reproduire la fusion, mais surtout mettre en place des sondes internes : la mesure de la conductivité électrique a été utilisée pour la détection in situ de la fusion partielle de l'échantillon, alors que la mesure de la vitesse de propagation des ondes sonores a permis une comparaison directe avec les données géophysiques. Les expériences montrent que la diminution des vitesses sismiques reportées par les sismologues est compatible avec un degré de fusion partielle très faible, de l'ordre d’un pourcent en volume de cette région du manteau. Ceci se produit lorsque la concentration en eau dans le manteau est typiquement de deux grammes par kilogrammes de roche mantellique. L'analyse chimique des magmas produits indique pourtant que ces magmas sont très riches en eau, avec une concentration supérieure à 15%, alors que les basaltes observés à la surface de la Terre n'en contiennent que 2 à 3% ! Les magmas des grandes profondeurs ont aussi une très forte concentration en fer et en éléments alcalins. Avec une telle composition, on estime la densité de ces liquides est similaire à celle des roches du manteau dans la zone de transition. Il est donc fort probable que ces magmas soient gravitationnellement piégés dans une couche située juste au-dessus de la discontinuité à 410 km de profondeur. Une telle hypothèse est tout à fait compatible avec les observations sismologiques.


Microphotographies des échantillons étudiés montrant les différentes espèces minérales composant les roches ainsi que les fins films de magmas à l’échelle micrométrique. Un exemple d’ondes sonore/sismiques mesurées pendant l’expérience a été inséré en noir.

La présence d'une telle couche de manteau partiellement fondu a de grandes conséquences sur notre compréhension de la dynamique interne de la Terre, en particulier sur la ségrégation chimique et la différenciation des réservoirs mantelliques. Ces magmas profonds contiennent non seulement une importante quantité d'eau, mais aussi des éléments dits incompatibles (préférant le liquide au résidu solide). Cette couche de manteau pourrait jouer le rôle de barrière chimique entre la Terre profonde et les parties plus superficielles, laissant le manteau supérieur relativement sec et appauvri. À l'inverse, les magmas stockés dans cette région seront aussi susceptibles de remonter vers la surface de la Terre, si leur densité est affectée par une augmentation locale de la teneur en eau ou de la température. Ainsi, cette portion de manteau partiellement fondu pourrait expliquer certains volcanismes de type point chaud.

Source(s): 

Experimental evidence supporting a global melt layer at the base of the Earth’s upper mantle. Damien Freitas, Geeth Manthilake, Federica Schiavi, Julien Chantel, Nathalie Bolfan-Casanova, Mohamed Ali Bouhifd et Denis Andrault. Nature Communications. Le 19/12/2017. DOI: 10.1038/s41467-017-02275-9

Contact(s):
  • Damien Freitas, LMV/OPGC
    damien [dot] freitas [at] uca [dot] fr, 04 73 34 67 23
  • Geeth Manthilake, LMV/OPGC
    geeth [dot] manthilake [at] uca [dot] fr, 04 73 34 67 34

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