Catégorie : Science

Des nouvelles inquiétantes de l’Antarctique // Worrying news from Antarctica

Il y a deux ans, des scientifiques de la NASA ont prévu un scénario très inquiétant dans lequel de colossales arrivées d’eau douce provenant de la fonte des glaciers viendraient perturber la circulation océanique, avec pour conséquence une hausse rapide du niveau des mers et des phénomènes météorologiques extrêmes. Le scénario reposait sur une simulation informatique et non sur des observations concrètes sur le terrain. Il a déclenché une vague de scepticisme  chez un certain nombre de climatologues. Une nouvelle étude océanographique semble pourtant confirmer, au moins en partie, les conclusions du scénario informatique.
Cette nouvelle étude, basée sur des mesures effectuées au large des côtes de l’Antarctique de l’Est, montre que la fonte des glaciers est en train de refroidir l’océan qui les entoure. Ce phénomène, à son tour, bloque le processus dans lequel l’eau de mer froide et salée s’enfonce sous la surface de la mer en hiver. Cette eau a cessé de se former au fond de l’Antarctique dans deux régions clés du continent: la côte ouest et la côte autour du gigantesque glacier Totten, dans l’Antarctique de l’Est. Ce sont deux des régions où la fonte de la glace est la plus rapide.
Lorsque l’eau froide de surface ne s’enfonce plus dans les profondeurs, une couche d’eau chaude océanique plus profonde peut traverser la plateforme continentale et atteindre la base des glaciers en conservant sa chaleur car les eaux froides restent au-dessus. Cette eau plus chaude fait fondre rapidement les glaciers et les plateformes de glace flottantes auxquelles ils sont reliés et qui les retiennent. En d’autres termes, la fonte des glaciers de l’Antarctique semble provoquer une boucle de rétroaction dans laquelle la fonte, par son effet sur les océans, déclenche encore plus de fonte. L’eau de fonte stratifie la colonne océanique, avec de l’eau froide piégée en surface et de l’eau plus chaude en dessous. La couche inférieure fait fondre les glaciers et fait apparaître encore plus d’eau de fonte, sans oublier la hausse du niveau des océans lorsque les glaciers perdent de la masse.
A grande échelle, les auteurs de l’étude pensent qu’il est trop tôt pour dire comment va évoluer ce processus de rétroaction. Si les émissions de gaz à effet de serre restent stables et si le réchauffement climatique continue sur la même trajectoire, il est probable que l’injection d’eau douce augmentera.
Selon un océanographe du Centre National de Recherche Atmosphérique, l’étude ne fait que confirmer un grand nombre de documents qui ont prouvé le réchauffement et le refroidissement de l’océan profond dans l’hémisphère sud. Selon cet océanographe, « le fait que nous constations un réchauffement et un refroidissement constants montre que les processus initialement prévus pour le siècle prochain ont déjà débuté. »
S’il se confirme que le processus de formation des eaux profondes de l’Antarctique est perturbé, au moins dans certaines régions de ce continent, on se trouvera dans l’hémisphère sud dans une situation qui a déjà causé de vives inquiétudes dans l’hémisphère nord : un ralentissement possible de la circulation de retournement dans l’Océan Atlantique Nord, suite au refroidissement de l’océan par la fonte du Groenland.
Source: Médias d’information scientifique aux États-Unis.

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Two years ago, NASA scientists laid out a dire scenario in which gigantic pulses of fresh water from melting glaciers could upend the circulation of the oceans, leading to a world of fast-rising seas and even superstorms. The scenario was based on a computer simulation, not hard data from the real world, and met with skepticism from a number of other climate scientistsToday, a new oceanographic study appears to have confirmed one aspect of this picture, in its early stages, at least.

The new research, based on ocean measurements off the coast of East Antarctica, shows that melting Antarctic glaciers are indeed freshening the ocean around them. And this, in turn, is blocking a process in which cold and salty ocean water sinks below the sea surface in winter. This Antarctic bottom water has stopped forming in two key regions of Antarctica: the West Antarctic coast and the coast around the enormous Totten glacier in East Antarctica. These are two of Antarctica’s fastest-melting regions.

When cold surface water no longer sinks into the depths, a deeper layer of warm ocean water can travel across the continental shelf and reach the bases of glaciers, retaining its heat as the cold waters remain above. This warmer water then rapidly melts the glaciers and the large floating ice shelves connected to them. In other words, the melting of Antarctica’s glaciers appears to be triggering a “feedback” loop in which that melting, through its effect on the oceans, triggers still more melting. The melting water stratifies the ocean column, with cold fresh water trapped at the surface and warmer water sitting below. Then, the lower layer melts glaciers and creates still more melt water, not to mention rising seas as glaciers lose mass.

On the large-scale issue, the authors of the study say it is too early to say how these feedback processes will play out. If greenhouse gas emissions rates do not change, so that global warming continues to increase, it is likely that the freshwater injection rate will increase.

According to an oceanographer at the National Center for Atmospheric Research, the study is consistent with a large body of existing literature that shows warming and freshening of the deep ocean in the southern hemisphere. X said he: “The fact that we see consistent warming and freshening indicates that the processes we expect to play out over the next century are already underway.”

If the process of Antarctic bottom water formation is being impaired, at least in some regions, then it would be a Southern Hemisphere analogue of a process that has already caused great worry – a potential slowdown of the overturning circulation in the North Atlantic Ocean, thanks to freshening of the ocean from the melting of Greenland.

Source : U.S. scientific news media.

Source: NOAA

Le magma du super volcan de Yellowstone // Magma of the Yellowstone super volcano

J’ai écrit plusieurs articles sur ce blog concernant la source magmatique de Yellowstone et la présence d’un double réservoir sous le super volcan.
À l’aide d’une modélisation par superordinateur, des scientifiques de l’Université de l’Oregon ont pu fournir de nouvelles hypothèses concernant ce double réservoir qui se cache sous le Parc National de Yellowstone. L’étude a été publiée dans Geophysical Research Letters.
À des profondeurs de 5 à 10 kilomètres, des forces opposées donnent naissance à une zone de transition où les roches froides et rigides de la croûte supérieure cèdent la place à des roches chaudes et partiellement fondues qui se trouvent en dessous. Cette zone de transition piège les magmas ascendants et les pousse à s’accumuler et à se solidifier dans un filon horizontal appelé sill qui, selon la modélisation informatique réalisée par les chercheurs, peut atteindre 15 kilomètres. Les résultats de la modélisation confirment les observations effectuées précédemment en envoyant des ondes sismiques à travers cette zone.
Le sill se compose essentiellement de gabbro solidifié. Au-dessus et au-dessous se trouvent des corps magmatiques distincts. Celui du dessus contient un magma rhyolitique qui peut produire de temps en temps des explosions très puissantes. Des structures similaires existent probablement sous des super volcans ailleurs dans le monde. La morphologie du sill peut aussi expliquer des signatures chimiques différentes que l’on observe dans les matériaux éruptifs.
En 2014, un article publié dans Geophysical Research Letters par une équipe scientifique de l’Université de l’Utah a révélé, grâce à l’analyse d’ondes sismiques, la présence d’un grand volume de magma dans la croûte supérieure. Les scientifiques avaient toutefois remarqué que d’énormes quantités de dioxyde de carbone et d’hélium s’échappaient du sol, ce qui laissait supposer la présence d’une autre poche de magma sous la précédente. Ce mystère a été résolu en mai 2015, lorsqu’une étude réalisée par l’Université de l’Utah, publiée dans la revue Science, a identifié, au moyen d’ondes sismiques, la présence d’un deuxième volume de magma, encore plus important, à une profondeur de 20 à 45 kilomètres.
Cependant, les études des données sismiques n’ont pas permis de déterminer la composition, ou la quantité de magma dans ces deux réservoirs, ni comment et pourquoi ils se sont formés. Pour comprendre les deux structures, les chercheurs de l’Université de l’Oregon ont créé de nouveaux codes de modélisation pour les superordinateurs afin de savoir à quel niveau le magma est susceptible de s’accumuler dans la croûte. Le travail a été réalisé en collaboration avec des chercheurs de l’Institut fédéral suisse de technologie de Zurich.
Les résultats de la modélisation ont révélé qu’une importante couche de magma refroidi, avec un point de fusion élevé, existait au niveau du sill séparant deux corps magmatiques avec un magma à un point de fusion inférieur ; une grande partie de cette couche de magma refroidi proviendrait de la fusion de la croûte. Les auteurs de l’étude pensent que cette structure est à l’origine du volcanisme rhyolite-basalte que l’on trouve dans l’ensemble du point chaud de Yellowstone, y compris les matériaux produits par les super éruptions. En particulier, la modélisation a permis d’identifier la structure géologique du secteur où se trouve le matériau rhyolitique.
Pour le moment, la dernière étude ne permet pas de savoir quand se produiront les prochaines éruptions du super volcan de Yellowstone, mais elle permet d’expliquer la structure du système d’alimentation magmatique. Elle montre l’endroit où le magma prend sa source et là où il s’accumule.
Étudier l’interaction de l’ascension du magma avec la zone de transition dans la croûte terrestre, et comment ce processus influence les propriétés des poches magmatiques qui se forment au-dessus et au-dessous, devrait permettre de mieux comprendre le rôle joué par les panaches mantelliques dans l’évolution et dans la structure de la croûte continentale.
Source: Université de l’Oregon.

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I have written several posts on this blog about the magma source of Yellowstone and the presence of two magma bodies beneath the volcano.

Using supercomputer modelling, University of Oregon scientists have unveiled a new explanation for the geology underlying magma bodies below Yellowstone National Park. The study was published in Geophysical Research Letters.

At depths of 5-10 kilometres, opposing forces counter each other, forming a transition zone where cold and rigid rocks of the upper crust give way to hot, partially molten rock below. This transition traps rising magmas and causes them to accumulate and solidify in a large horizontal body called a sill, which can be up to 15 kilometres, according to the team’s computer modelling. The results of the modelling matches observations done by sending seismic waves through the area.

The sill is comprised of mostly solidified gabbro. Above and below lay separate magma bodies. The upper one contains rhyolitic magma that occasionally erupts in very powerful explosions. Similar structures may exist under super volcanoes around the world. The geometry of the sill also may explain differing chemical signatures in eruptive materials.

In 2014, a paper in Geophysical Research Letters by a University of Utah-led team revealed evidence from seismic waves of a large magma body in the upper crust. Scientists had suspected, however, that huge amounts of carbon dioxide and helium escaping from the ground indicated that more magma is located farther down. That mystery was solved in May 2015, when a second University of Utah-led study, published in the journal Science, identified by way of seismic waves a second, larger body of magma at depths of 20 to 45 kilometres.

However, the seismic-imaging studies could not identify the composition, state and amount of magma in these magma bodies, or how and why they formed there. To understand the two structures, University of Oregon researchers wrote new codes for supercomputer modelling to understand where magma is likely to accumulate in the crust. The work was done in collaboration with researchers at the Swiss Federal Institute of Technology, also known as ETH Zurich.

The researchers repeatedly got results indicating a large layer of cooled magma with a high melting point forms at the mid-crustal sill, separating two magma bodies with magma at a lower melting point, much of which is derived from melting of the crust. The authors of the study think that this structure is what causes the rhyolite-basalt volcanism throughout the Yellowstone hotspot, including supervolcanic eruptions. More particularly, the modelling helps to identify the geologic structure of where the rhyolitic material is located.

The new research, for now, does not help to predict the timing of future eruptions. Instead, it helps explain the structure of the magmatic plumbing system that fuels these eruptions. It shows where the eruptible magma originates and accumulates.

Studying the interaction of rising magmas with the crustal transition zone, and how this influences the properties of the magma bodies that form both above and below it should boost scientific understanding of how mantle plumes influence the evolution and structure of continental crust.

Source: University of Oregon.

Source: University of Oregon

Les fumeurs noirs du volcan Brothers (Arc Tonga-Kermadec) // The black smokers of Brothers Volcano (Tonga-Kermadec Arc)

Les bouches hydrothermales au fond des océans se forment généralement le long des dorsales telles que la dorsale est-Pacifique et la dorsale médio-atlantique. Ce sont des lieux où deux plaques tectoniques s’écartent et où une nouvelle croûte se forme. Ces bouches hydrothermales apparaissent souvent sous forme de « fumeurs noirs ». Les zones qui les entourent sont riches d’un point de vue biologique et hébergent souvent des communautés complexes qui trouvent leur nourriture dans les éléments chimiques dissous dans les fluides émis par les bouches.
À l’aide d’un véhicule télécommandé équipé d’une caméra vidéo haute définition et d’instruments de mesure, une équipe scientifique internationale a pu observer des filons riches en cuivre dans les parois du cratère du volcan Brothers, dans l’Arc des Kermadec, à 1550 mètres de profondeur.
Les observations ont été effectuées au cours d’une mission de 21 jours par des scientifiques des États-Unis et de Nouvelle-Zélande sur ce volcan situé à environ 400 km au nord-est de White Island. La mission était financée par la National Science Foundation, en collaboration avec la Woods Hole Oceanographic Institution, la  Portland State University et GNS Science.
Le système hydrothermal du volcan Brothers est très actif. Il représente un domaine encore inexploré où se développe une vie microbienne extrêmophile dans des fluides à haute température, riches en acides et en métaux. Les scientifiques ont pu étudier comment un volcan sous-marin envoie dans l’océan de la chaleur, des éléments chimiques et des métaux, et comment ces derniers affectent la vie autour du volcan.
Sur l’Arc des Kermadec, des volcans comme le Brothers se forment là où deux plaques tectoniques, en l’occurrence la plaque Pacifique et la plaque australienne, entrent en collision. Des fractures à la surface du volcan permettent à l’eau de mer de s’enfoncer à l’intérieur de la croûte terrestre. L’eau est chauffée par la chambre magmatique et les réactions chimiques entre l’eau de mer et les roches donnent naissance à des sources chaudes qui laissent échapper des fluides riches en minéraux. Selon les scientifiques, ils peuvent fournir des indications importantes sur l’évolution des volcans, sur la formation des dépôts de minéraux, et sur la vie proprement dite. Une partie de la mission consistait à échantillonner les fluides à haute température qui sortent des bouches hydrothermales afin d’évaluer la quantité de métaux et des divers autres éléments chimiques.
Le système hydrothermal du volcan Brothers héberge des formes de vie abondantes. A ce jour, environ 50 espèces d’êtres vivants comme des crevettes, des crabes, des vers et diverses espèces de poissons ont été identifiés.
D’un point de vue chimique, le système hydrothermal du volcan Brothers comprend deux types de sources d’eau chaude très différents. L’un d’eux produit des fluides riches en métaux à une température atteignant 318°C tandis que l’autre émet des fluides riches en gaz et pauvres en métaux qui sont extrêmement acides. Les scientifiques ont pu voir des dizaines de fumeurs noirs jusqu’à 20 mètres de hauteur, perchés sur les parois abruptes du cratère. Les fluides riches en métaux contiennent beaucoup de fer, de cuivre, de zinc et d’or qui se déposent sur le plancher océanique en formant les hautes structures en forme de cheminées.
Les connaissances recueillies par les scientifiques sur les métaux présents dans le volcan et la manière dont ils sont répartis permettront de mieux comprendre la formation de grands gisements de minerais. Des missions scientifiques comme celle-ci fournissent des indications précieuses à une époque où la demande mondiale en faveur de technologies vertes s’accélère et où l’on se tourne vers l’océan pour trouver de nouvelles ressources en métaux rares.
Source: New Zealand Herald.

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Hydrothermal vents in the deep ocean typically form along the mid-ocean ridges, such as the East Pacific Rise and the Mid-Atlantic Ridge. These are locations where two tectonic plates are diverging and new crust is being formed. Hydrothermal vents may form features called black smokers. The areas around submarine hydrothermal vents are biologically quite productive, often hosting complex communities fuelled by the chemicals dissolved in the vent fluids.

Using a remotely operated vehicle equipped with a high-definition video camera and an array of scientific measuring equipment, an international scientific team observed copper-rich veins in the inner crater walls of Brothers volcano in the Kermadec Arc, at a depth of 1550 metres.

The observations were made during a 21-day US-New Zealand mission at the volcano which lies about 400, km northeast of White Island. The voyage was a US National Science Foundation-funded project involving Woods Hole Oceanographic Institution and Portland State University, in collaboration with GNS Science

The Brothers volcano hydrothermal system is very active.. It represents an unexplored frontier for new extremophilic microbial life that thrives in acid and metal-rich, high-temperature fluids. The scientists investigated how an undersea volcano releases heat, chemicals, and metals into the ocean and how they affect the life around it.

Volcanoes like Brothers form where two of the Earth’s tectonic plates, in this case the Pacific Plate and the Australian Plate, are colliding. Cracks at the surface of the volcano allow seawater to circulate deep into the Earth’s crust. The water is heated up by the underlying magma chamber and chemical reactions between the seawater and rocks result in hot springs that vent mineral-rich fluids from the seafloor. According to the scientists, the fluids can hold important clues about the formation and evolution of volcanoes and how significant mineral deposits can be formed, and about life itself. Part of the mission was to sample the hot fluids coming out of hydrothermal vents to see how much metal and various other chemicals are contained within them.

The Brothers volcano hydrothermal system harbours a vast array of life. So far, around 50 species of animals, including shrimp, crabs, worms, and various species of fish have been identified.

From a chemical point of view, the Brothers volcano hydrothermal system features two very different types of hot springs. One expels metal-rich fluids up to 318°C and the other gas-rich, metal-poor fluids that are extremely acidic. The scientists could see dozens of black smokers up to 20 metres tall, perched on the steep walls of volcano’s crater. The fluid coming out of the metal-rich fluid is rich in iron, copper, zinc, and gold that precipitate on the seafloor, forming the tall chimney structures.

The knowledge the scientists gleaned about what metals were being transported within the volcano and how they are distributed provide insights into the formation of large mineral deposits. Investigations such as this provide valuable insights as world demand for green technologies gathers pace and explorers look to the ocean for new supplies of critical metals.

The voyage was a US National Science Foundation-funded project involving Woods Hole Oceanographic Institution and Portland State University, in collaboration with GNS Science

Source : New Zealand Herald.

Vue de l’arc des Kermadec avec le volcan Brothers.

Fumeurs noirs sur le site du volcan Brothers (Source : GNS Science)

Magma et minerai de fer // Magma and iron ore

Des géologues ont découvert que certains magmas se composent de deux liquides distincts, dont l’un est très riche en fer. Leur étude, parue dans la revue Nature Communications, pourrait contribuer à la découverte de nouveaux gisements de minerai de fer pour l’exploitation minière.
Le minerai de fer est extrait dans quelque 50 pays ; l’Australie, le Brésil et la Chine sont les principaux producteurs. La plupart des gisements de minerai de fer se trouvent dans les roches sédimentaires. D’autres sont extraits dans des complexes volcaniques tels que El Laco dans la région d’Antofagasta au Chili, et Kiruna en Suède. Ces gisements de minerai de fer, appelés gisements de type Kiruna, représentent environ 10% de la production mondiale de fer, mais personne ne sait comment ils se sont formés.
L’équipe internationale de chercheurs appartenant à des institutions telles que KU Leuven (Belgique) , l’Université Leibniz de Hanovre (Allemagne) et l’ULiège (Belgique) explique avec certitude que ces gisements de minerai de fer se forment lorsque le magma se scinde en deux liquides distincts. Des études antérieures se sont attardées sur la texture ou la composition des roches naturelles. Les chercheurs mentionnés ci-dessus ont été les premiers à reproduire en laboratoire des magmas comme ceux d’El Laco. Autrement dit, ils ont reproduit les conditions observées dans les chambres magmatiques où s’accumule la roche en fusion lorsqu’elle ne peut remonter à la surface. C’est également là que se forment les gisements de minerai de fer sous les volcans. Il est donc intéressant de reproduire la température et la pression qui règnent dans les chambres magmatiques.
Dans ce but, l’équipe scientifique a utilisé un mélange d’échantillons de minerai riches en fer et de laves typiques que l’on rencontre autour des gisements de type Kiruna. Cela a donné naissance à une composition en vrac qui, selon les chercheurs, existe dans la chambre magmatique profonde sous les volcans. Ils ont placé le mélange dans un four et ont porté la température à 1000-140°C. Ils ont également augmenté la pression jusqu’à environ 1000 fois la pression atmosphérique terrestre. Ils ont ainsi reproduit les conditions qui règnent dans une chambre magmatique. Les chercheurs ont été surpris de constater que, dans ces conditions, le magma se scindait en deux liquides distincts, processus connu sous le nom d’immiscibilité. L’un de ces liquides contenait beaucoup de silice, tandis que l’autre était extrêmement riche en fer – jusqu’à 40% – et en phosphore. Lorsque le liquide riche en fer commence à se refroidir, on obtient du minerai de fer de type Kiruna riche en phosphore.
Cette expérience montre que l’immiscibilité est la clé de la formation de gisements de minerai de fer, comme celui extrait à El Laco. Si les résultats se vérifient, il pourront aider à trouver de nouveaux gisements de minerai de fer dans le monde.
Sources: Science Daily, KU Leuven.

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Geologists have discovered that some magmas split into two separate liquids, one of which is very rich in iron. Their findings could help to discover new iron ore deposits for mining.

Iron ore is mined in about 50 countries, with Australia, Brazil and China as the largest producers. Most iron ore deposits are found in sedimentary rocks. Others are mined in volcanic complexes such as El Laco in Chile and Kiruna in Sweden. These iron ore deposits, called Kiruna-type deposits, account for about 10% of the global production of iron, yet nobody knows how they are formed.

In Nature Communications, an international team of researchers from institutions including KU Leuven, Leibniz University Hannover, and ULiège present the first evidence that these iron ore deposits are formed when magma splits into two separate liquids. Previous studies have always focused on the texture or the composition of natural rocks. The researchers were the first to actually reproduce magmas in the lab such as the ones found in El Laco. They wanted to reproduce the conditions found in magma chambers, where molten rock accumulates when it cannot rise to the surface. This is also where the iron ore deposits beneath volcanoes are formed, so reproducing the temperature and pressure of the magma chambers seemed well worth examining.

That’s why the scientific team produced a mixture of iron-rich ore samples and typical lavas surrounding Kiruna-type deposits. This created a bulk magma composition that they believed exists in the deep magma chamber beneath volcanoes. They placed the mixture in a furnace and raised the temperature to 1,000-1,040°C. They also increased the pressure to about 1000 times the atmospheric pressure of Earth, which are the conditions of a magma chamber. The researchers were surprised to find that, under these conditions, the magma split into two separate liquids, a process known as immiscibility. One of these liquids contained a lot of silica, whereas the other was extremely rich in iron – up to 40% – and phosphorus. When this iron-rich liquid starts to cool down, one gets iron-phosphorus Kiruna-type ore deposits.

This is the first evidence that immiscibility is key to the formation of iron ore deposits such as the ones mined in El Laco. If the researchers are right, these findings may help to find new iron ore deposits.

Sources: Science Daily, KU Leuven.

Carte géologique du complexe volcanique d’El Laco