Des expériences confortent l'existence de fusion partielle dans le manteau supérieur
Publié par Adrien le 07/06/2016 à 00:00
Source: CNRS-INSU
Sur la base de mesures expérimentales de la vitesse de propagation des ultrasons dans des échantillons de hautes pressions et températures, une équipe de chercheurs du Laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand (CNRS/IRD/Université Blaise Pascal) et du Center for Advanced Radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par...) Source de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à 1 280 kilomètres à l'ouest de New York et à plus de 3 200 kilomètres au nord-est de Los Angeles. C'est la plus grande ville...) montrent que la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire...) partielle est compatible avec les anomalies sismiques observées dans le manteau entre ~80 et 350 km de profondeur (asthénosphère). Ils observent en particulier qu'un taux de fusion partielle supérieur à 0.1% peut produire une diminution significative des vitesses sismiques (Vp et Vs), ainsi qu'une augmentation de l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...). La présence de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement...) dans l'asthénosphère (L'asthénosphère (du grec asthenos, sans résistance) est la partie ductile du manteau terrestre, directement située sous la lithosphère rigide.) pourrait favoriser un découplage mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de...) entre le manteau supérieur et les plaques lithosphériques, ce qui pourrait dominer les relations entre la tectonique des plaques (La tectonique des plaques (d'abord appelée dérive des continents) est le modèle actuel du fonctionnement interne de la Terre. Elle est l'expression...) et la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du manteau. Par contre, la fusion partielle ne permet pas d'expliquer les très forts rapports de vitesses Vp/Vs observés ponctuellement dans le manteau, impliquant alors la présence de fluides riches en éléments volatils.


Microstructure d'un échantillon contenant une fraction volumique de basalte de 0.5%. Le film de basalte recouvre presque intégralement la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) des grains d'olivine et se trouve connecté sur toute la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) de l'échantillon. Différentes expériences ont été effectuées avec différentes fractions de basalte. J. Chantel et al 2016


La fusion du basalte au-dessus de ~1550 K induit une variation significative des vitesses de propagation des ultrasons. Une diminution de Vs est observée pour un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de basalte supérieur à 0.1%. J. Chantel et al 2016

De fortes anomalies sismiques sont observées pour des profondeurs supérieures à ~80 km dans le manteau terrestre. Les caractéristiques sont une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec...) diminution des vitesses sismiques avec la profondeur (un comportement inhabituel pour les silicates), une réduction significative du facteur de qualité, ainsi qu'un maximum d'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes...). Une forte augmentation de la conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.) est également connue dans ces mêmes régions du manteau. L'origine de ces anomalies reste très débattue. Pour certains auteurs les faibles vitesses sismiques peuvent s'expliquer par une évolution rapide des constantes élastiques lorsque la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) approche le point (Graphie) de fusion de la péridotite (roche principale manteau). D'autres attribuent l'anomalie de vitesse (On distingue :) à la fusion partielle du manteau. Les deux hypothèses ont des implications géologiques fondamentalement différentes, en particulier car la présence de liquide réduit considérablement la viscosité et favorise la ségrégation chimique.

Les chercheurs ont réalisé une étude systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain...) de la vitesse de propagation des ultrasons dans des échantillons composés d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) d'olivine et d'une fraction variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. ...) de basalte. La fusion du basalte à haute température produit des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) bi-phasiques avec une fraction contrôlée de solide et liquide (Figure). Le couplage avec le rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.) a permis d'affiner les conditions expérimentales et en particulier la longueur des échantillons. Après comparaison avec les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) sismologiques, les mesures expérimentales de VP, VS et d'atténuation suggèrent un taux de fusion entre 0.1 à 0.3% dans le manteau. Les études antérieures ne permettaient pas de penser qu'un si faible taux de fusion pouvait affecter les vitesses sismiques de façon aussi significative. Pourtant, les valeurs obtenues dans cette nouvelle étude sont compatibles avec des observations pétrographiques et des modèles de conductivité électrique.

La présence de liquide entre 80 et 350 km de profondeur pourrait faciliter la déformation par cisaillement qui est requise pour un mouvement relatif des plaques tectoniques rigides reposant sur le manteau. Le cisaillement pourrait favoriser la formation de roches stratifiées avec accumulations potentielles des liquides dans des zones alignés, ce qui renforcerait encore la dissociation mécanique entre la lithosphère (La lithosphère (littéralement, la « sphère de pierre ») est la partie superficielle et rigide du matériau dont sont faits les astres telluriques, dont la...) et le manteau. Selon les contextes géologiques, les liquides pourraient rester piégés dans le manteau ou migrer jusqu'à la surface en provoquant du volcanisme intraplaque. Ceci pourrait entrainer des variations régionales et temporelles des mouvements de plaques, depuis l'ouverture des dorsales médio-océaniques jusqu'à la contraction au niveau des zones de subduction (La subduction est le processus d'enfoncement d'une plaque tectonique sous une autre plaque de densité plus faible, en général une plaque océanique sous...).
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