La source de la lave des volcans islandais // Where Icelandic volcanoes get their lava from

Depuis plus de deux décennies, les scientifiques travaillent sur la nature des Ultra-Low Velocity Zones (ULVZ), zones à vitesse ultra faible à la frontière entre le noyau et le manteau terrestre et dont le nom s’explique par le déplacement très lent des ondes sismiques qui les traversent. Selon certains chercheurs, une cause de cette vitesse très lente pourrait être leur état de fusion partielle. D’autres pensent que la chute de vitesse peut s’expliquer par le fait que les ULVZ sont constituées d’un type de roche différent et plus dense, peut-être enrichi en fer et chimiquement distinct du reste du manteau.
Des chercheurs de l’Université de Californie qui ont examiné l’une de ces zones à près de 3000 kilomètres sous l’Islande, ont enfin apporté une réponse à cette question. Les ULVZ seraient les racines, à l’état de fusion partielle, des panaches de roches très chaudes qui s’élèvent lentement à travers le manteau pour alimenter les volcans. Cela signifierait que ces zones seraient les marqueurs en profondeur de la base des panaches volcaniques dans le monde.
Pour libérer la chaleur du noyau externe liquide, la roche solide à l’intérieur du manteau terrestre se déplace en lents mouvements convectifs. Les scientifiques ont longtemps pensé que des remontées au niveau de ces courants de convection mantelliques se manifestent sous formes de panaches responsables des points chauds sur Terre. Plus récemment, ils ont commencé à examiner leurs parties supérieures au travers de modèles informatiques très élaborés qui utilisent les ondes des grands séismes pour créer des images tomographiques de l’intérieur de la Terre.
Des études antérieures avaient tenté d’établir des liens entre les ULVZ et les panaches mantelliques sous les îles Hawaii et Samoa. Toutefois, les chercheurs californiens pensent que ce qui se passe sous l’Islande offre une meilleure image. En effet, les ondes sismiques qui passent sous cette région du monde proviennent de différentes directions et peuvent être reçues par des capteurs dans des parties opposés de la planète, contrairement aux îles du Pacifique.
À l’aide d’ondes sismiques captées par tout un ensemble de capteurs aux États-Unis et en Chine, l’équipe scientifique a pu mieux identifier la position et la forme des ULVZ. Il en ressort que la forme est celle d’un cylindre de 800 kilomètres de base et 15 kilomètres de hauteur, plus ou moins directement sous le panache qui alimente les volcans islandais. Ces résultats vont dans le sens du scénario de la fusion partielle, car l’autre option, celle d’une roche chimiquement différente, donnerait probablement une forme plus irrégulière et n’aurait pas nécessairement terminé sa course directement sous un panache.
Cependant, selon certains scientifiques, la nouvelle étude ne doit pas exclure le scénario concernant la roche chimiquement différente. En effet, un spécialiste en géodynamique à l’Université d’État du Michigan a modélisé les lents courants mantelliques et a constaté que, le long de la limite entre le noyau et le manteau, les courants sont latéraux et attirés vers la base des panaches. Ces courants pousseraient, tel un bulldozer, la roche dense et chimiquement distincte vers les panaches et, au fil du temps, ils pourraient finir par lui donner une forme à peu près circulaire.
Les chercheurs affirment que le mystère sera résolu avec l’amélioration des images du manteau inférieur grâce aux nouvelles technologies. Des ordinateurs plus puissants permettront d’utiliser davantage le contenu haute fréquence des ondes sismiques, partie qui est la plus favorable pour mettre en lumière les structures peu profondes comme les ULVZ. Un autre progrès pourrait être réalisé grâce aux capteurs sismiques installés au fond de l’océan. Comme la plupart des capteurs sismiques se trouvent actuellement sur la terre ferme, les deux tiers de la Terre (autrement dit les océans) sont une zone blanche.

Source: Science Mag.

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For more than 2 decades, scientists have pondered the nature of ultralow-velocity zones (ULVZs). The regions get their name from the way that earthquake waves travel so much more slowly through them. One way to explain that speed drop would be if they were partially molten. Another camp has held that the speed drops can be explained if ULVZs are made of a dense, different type of rock, perhaps enriched with iron, and chemically distinct from the rest of the mantle.

Researchers from the University of California who examined one of these zones nearly 3000 kilometres below Iceland finally have an answer: They may be the partially molten roots of plumes of hot rock that slowly rise through the mantle to feed volcanoes. That would make ULVZs deep signposts that mark the base of the world’s plumes.

To release heat from the liquid outer core, the solid rock in Earth’s mantle moves in slow, convective swirls. Earth scientists have long suspected that upwellings in these mantle convection currents would manifest themselves as the plumes responsible for Earth’s volcanic hot spots. Now they have started to see their upper parts with sophisticated computer models that use the waves from large earthquakes to create CT scan–like tomographic pictures of Earth’s interior.

Previous studies had made tentative connections between ULVZs and the plumes underneath Hawaii and Samoa. But the Californian researchers think the scene underneath Iceland provides a better picture. Indeed, earthquake waves pass underneath the region from different directions and can be picked up by sensors on opposite sides of the world, unlike the Pacific islands.

Using earthquake waves picked up by arrays of sensors in the United States and China, the team better identified the position and shape of the ULVZ. They found its shape was a stubby cylinder 800 kilometres across and 15 kilometres tall, more or less directly under the plume that feeds Iceland’s volcanoes. The team’s results favour the partially molten scenario, since the other option, a chemically distinct rock, would likely have a more irregular shape and would not necessarily wind up sitting directly underneath a plume.

However, the new study might not rule out the chemically distinct rock scenario. A geodynamicist at Michigan State University has modelled the mantle’s slow-motion currents and found that, along the core-mantle boundary, the currents are lateral, drawn toward the bases of plumes. These currents would bulldoze the dense, chemically distinct rock toward the plumes, and, over time, they could pack it into a roughly circular shape.

The researchers say that the debate will get resolved as pictures of the lower mantle improve. More powerful computers will allow to use more of the high-frequency content of earthquake waves, the part that is best at illuminating shallow structures like ULVZs. Another boost could come from ocean-bottom earthquake sensors. With most earthquake sensors sitting on land, two-thirds of Earth (namely the oceans) is a blank spot.

Source : Science Mag.

Schéma montrant la limite entre le noyau externe et le manteau inférieur, ainsi que les ULVZ (Source : Science Direct)

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Et si le champ magnétique terrestre s’inversait ? // What if the Earth’s magnetic field flipped?

drapeau-francaisTandis que j’observais les aurores boréales en Alaska en septembre dernier, je me disais que les vents solaires jouaient avec le champ magnétique, ce bouclier qui protège notre planète du rayonnement solaire en déviant les particules chargées. Loin d’être constant, ce champ est en constante évolution et l’histoire de la Terre comprend plusieurs centaines d’inversions magnétiques, lorsque les pôles nord et sud ont échangé leurs places. On peut donc se demander ce qui se passerait si une inversion magnétique se produisait de nos jours sur Terre.
Lors d’une inversion, le champ magnétique ne serait pas nul, mais il présenterait une forme plus faible et plus complexe. Il pourrait chuter à 10% de sa force actuelle, avec les pôles magnétiques à l’équateur ou même l’existence simultanée de multiples pôles magnétiques « nord » et « sud ».
Les inversions géomagnétiques se produisent en moyenne quelques fois tous les millions d’années. Cependant, l’intervalle entre les inversions est très variable. La dernière inversion complète, la Brunhes-Matuyama, s’est produite il y a environ 780 000 ans. Une inversion temporaire, baptisée Excursion de Laschamp (par référence au Puy de Laschamp en Auvergne où elle a été découverte), s’est produite il y a environ 41 000 ans. Elle a duré moins de 1000 ans avec un changement réel de polarité d’une durée d’environ 250 ans.
L’altération du champ magnétique pendant une inversion va affaiblir son effet bouclier, ce qui va permettre à un rayonnement plus important d’atteindre la Terre. Si cela se produisait aujourd’hui, l’augmentation des particules chargées atteignant la Terre entraînerait des risques élevés pour les satellites, l’aviation et les infrastructures électriques. Les tempêtes géomagnétiques, provoquées par l’interaction d’éruptions anormalement fortes d’énergie solaire avec notre champ magnétique, nous donnent un avant-goût de ce qui se produirait si le bouclier magnétique venait à s’affaiblir.
En 2003, la tempête magnétique Halloween a causé des pannes ponctuelles dans le réseau électrique suédois ; elle a obligé à modifier la trajectoire de certains vols et elle a perturbé les satellites et les systèmes de communication. Mais cette tempête était mineure à côté d’autres comme l’Evénement de Carrington en 1859 qui a fait apparaître des aurores boréales jusque dans les Caraïbes.
L’impact d’une tempête majeure sur nos systèmes électroniques n’est pas vraiment connu et l’impact direct d’une inversion magnétique sur l’espèce humaine ne peut guère être évalué dans la mesure où l’Homme n’existait pas encore au moment de la dernière inversion complète.
Nous savons que de nombreuses espèces animales comme les oiseaux migrateurs possèdent une certaine forme de réception magnétique qui leur permet de détecter le champ magnétique terrestre. Ils peuvent l’utiliser pour faciliter leur navigation sur de longues distances pendant la migration. On ne sait pas quel impact une inversion pourrait avoir sur ces espèces. Ce qui est sûr, c’est que les premiers êtres humains ont réussi à survivre à l’Excursion de Laschamp et la vie elle-même a survécu aux centaines d’inversions magnétiques complètes mises en évidence par les archives géologiques.
Le champ magnétique terrestre diminue actuellement à raison de 5% par siècle. On pourrait donc en conclure qu’il pourrait s’inverser au cours des 2 000 prochaines années, mais déterminer la date exacte est extrêmement difficile.
Le champ magnétique terrestre a sa source à l’intérieur du noyau externe liquide de notre planète et dans les mouvements du fer en fusion. Comme l’atmosphère et les océans, ses déplacements sont régis par les lois de la physique. Nous devrions donc logiquement être en mesure de prévoir la «météo du noyau» par le suivi de ce mouvement, tout comme nous pouvons prévoir le temps qu’il va faire en observant l’atmosphère et les océans. Une inversion du champ magnétique peut être assimilée à un type particulier de tempête dans le noyau, où la dynamique – et donc le champ magnétique – se déchaînent (au moins pendant une courte période) avant de se stabiliser à nouveau.
Prévoir le comportement du noyau terrestre est difficile car il se cache sous 3000 kilomètres de roches. Nous connaissons la composition du noyau externe et nous savons qu’il est liquide. Un réseau d’observatoires et de satellites en orbite mesure les variations du champ magnétique, ce qui nous donne un aperçu du comportement du noyau liquide.
La découverte récente d’un jet-stream dans le noyau met en évidence les progrès de notre capacité à mesurer et comprendre la dynamique du noyau. Avec des simulations numériques et des expériences en laboratoire pour étudier la dynamique des fluides à l’intérieur de la planète, notre compréhension du champ magnétique terrestre  progresse rapidement. Peut-être pourrons-nous un jour prévoir le comportement du noyau terrestre…
Source: Business Insider.

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drapeau-anglaisWhile I was watching the northern lights – or aurora borealis – in Alaska in last September, I said to myself that the solar winds were playing with the magnetic field that protects our planet from harmful solar radiation by deflecting charged particles away. Far from being constant, this field is continuously changing and the Earth’s history includes several hundred global magnetic reversals, when north and south magnetic poles swap places. So we may wonder how a magnetic reversal would affect life on Earth.

During a reversal, the magnetic field won’t be zero, but will assume a weaker and more complex form. It may fall to 10% of the present-day strength and have magnetic poles at the equator or even the simultaneous existence of multiple « north » and « south » magnetic poles.

Geomagnetic reversals occur a few times every million years on average. However, the interval between reversals is very irregular. The last full reversal, the Brunhes-Matuyama, occurred around 780,000 years ago. A temporary reversal, the Laschamp event, occurred around 41,000 years ago. It lasted less than 1,000 years with the actual change of polarity lasting around 250 years.

The alteration in the magnetic field during a reversal will weaken its shielding effect, allowing heightened levels of radiation on and above the Earth’s surface. If this happened today, the increase in charged particles reaching the Earth would result in high risks for satellites, aviation, and ground-based electrical infrastructure. Geomagnetic storms, driven by the interaction of anomalously large eruptions of solar energy with our magnetic field, give us a foretaste of what we can expect with a weakened magnetic shield.

In 2003, the Halloween storm caused local electricity-grid blackouts in Sweden, required the rerouting of flights, and disrupted satellites and communication systems. But this storm was minor in comparison with other storms of the recent past, such as the 1859 Carrington event, which caused aurorae as far south as the Caribbean.

The impact of a major storm on today’s electronic infrastructure is not fully known and the direct impact of a reversal on our species cannot definitively be predicted as humans did not exist at the time of the last full reversal.

We know that many animal species like migratory birds have some form of magnetoreception that enables them to sense the Earth’s magnetic field. They may use this to assist in long-distance navigation during migration. But it is unclear what impact a reversal might have on such species. What is clear is that early humans did manage to live through the Laschamp event and life itself has survived the hundreds of full reversals evidenced in the geologic record.

The Earth’s magnetic field is currently decreasing at a rate of 5% per century. This has led to suggestions that the field might reverse within the next 2,000 years. But pinning down an exact date would be difficult.

The Earth’s magnetic field is generated within the liquid core of our planet and the movements of molten iron. Like the atmosphere and oceans, the way in which it moves is governed by the laws of physics. We should therefore be able to predict the « weather of the core » by tracking this movement, just like we can predict real weather by looking at the atmosphere and ocean. A reversal can then be likened to a particular type of storm in the core, where the dynamics — and magnetic field — go haywire (at least for a short while), before settling down again.

However, predicting the Earth’s core is difficult, principally because it is buried beneath 3,000 km of rock. We know the major composition of the material inside the core and that it is liquid. A global network of ground-based observatories and orbiting satellites also measure how the magnetic field is changing, which gives us insight into how the liquid core is moving.

The recent discovery of a jet-stream within the core highlights our increasing ability to measure and infer the dynamics of the core. Coupled with numerical simulations and laboratory experiments to study the fluid dynamics of the planet’s interior, our understanding is developing at a rapid rate. The prospect of being able to forecast the Earth’s core is perhaps not too far out of reach.

Source : Business Insider.

champ-magnetique

Aurore boréale près de Juneau (Alaska) en septembre 2016.

(Photo: C. Grandpey)

 

Une nouvelle approche de l’intérieur de la Terre // A new approach to the Earth’s interior

drapeau-francaisOn sait depuis pas mal de temps que les cristaux de pérovskite silicatée sont l’un des composants majeurs des roches du manteau inférieur de la Terre. Mais ce minéral n’avait jamais été observé à l’état naturel. Il a fallu attendre 2014 pour qu’une telle observation soit effectuée. On lui a alors donné le nom de bridgmanite pour honorer la mémoire de Percy Williams Bridgman, un des pionniers de la pétrologie des roches sous hautes pressions.
Les observations sismiques de l’intérieur de notre planète ont révélé trois structures distinctes marquant la limite entre son noyau métallique et le manteau silicaté. Ces structures comprennent des restes de plaques subductées de la surface de la Terre, des zones de propagation ultra faible des ondes sismiques riches en fer, et de grandes zones denses de composition et minéralogie inconnues. Selon le California Institute of Technology (Caltech), on dispose aujourd’hui de nouvelles preuves montrant l’origine de ces structures.
La couche en question se trouve à une profondeur de 2 900 km et sa composition est très importante pour comprendre l’évolution et la dynamique de la Terre. Une équipe scientifique a effectué une étude qui indique que la bridgmanite, le minéral le plus répandu sur notre planète, pourrait occuper 20% de la zone limite entre le noyau et le manteau. Les résultats de ce travail de recherche pourraient expliquer les observations sismiques précédentes et les résultats de modélisation géodynamique.
Tout en occupant environ 20% de la surface de la limite entre le noyau et le manteau, la bridgemanite remonte jusqu’à une profondeur d’environ 1 500 km. Cette découverte représente un progrès scientifique car bien que la bridgmanite soit le minéral le plus abondant sur Terre, ce n’est que récemment que les chercheurs ont eu la possibilité de mesurer avec précision des échantillons dans un environnement similaire à celui que connaissent les matériaux à l’intérieur de la Terre.
L’étude a été réalisée par l’Advanced Photon Source du Laboratoire National d’Argonne dans l’Illinois avec des mesures précises aux rayons X et deux faisceaux laser différents (voir image ci-dessous) sur des échantillons de bridgmanite synthétique comprimés par des cellules à enclumes de diamant à plus de 1 million de fois la pression atmosphérique de la Terre et chauffés à des milliers de degrés. Les données recueillies ont permis aux scientifiques de comparer les résultats d’observations sismiques de la frontière noyau-manteau.
Les nouvelles mesures de la bridgmanite dans des conditions de manteau profond montrent que ces régions de l’intérieur de la Terre sont très probablement denses et riches en fer, ce qui leur a permis de rester stables au cours des temps géologiques.
Les chercheurs ont également mesuré le comportement du fer dans la structure cristalline de la bridgmanite en utilisant une technique de spectroscopie Mössbauer. Les résultats ont montré que la bridgmanite ferrifère est stable dans des conditions de températures extrêmes (plus de 2 000°C) et des pressions jusqu’à 130 gigapascals (GPa).
Cette étude est la première à combiner des mesures de densité et de rigidité haute précision avec la spectroscopie Mössbauer, ce qui a permis d’identifier le comportement du fer au sein de la bridgmanite. Les résultats montrent également qu’il est impossible que ces régions contiennent une grande quantité d’éléments radiogéniques.
Au vu des derniers résultats, il semble que le reste du manteau inférieur ne soit pas entièrement composé de bridgmanite, comme le pensait auparavant ; d’autres minéraux sont forcément présents
Il reste encore beaucoup de travail à faire, comme l’identification de la dynamique des plaques pendant la subduction, phénomène qui joue probablement un rôle en fournissant une force extérieure pour façonner les grandes régions riches en bridgmanite.
Source : Caltech : http://www.caltech.edu/

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drapeau-anglaisIt had been known for quite a long time that silicate perovskite crystals were a major component of the lower mantle rocks. But this mineral had never been observed in nature. It was not until 2014 that such an observation was made. It was then given the name bridgmanite to honor the memory of Percy Williams Bridgman, a pioneer of petrology rocks under high pressures.
Seismic observations of our planet’s interior have revealed three distinct structures, marking the boundary between its metallic core and silicate mantle. The structures include remnants of subducted plates from the Earth’s surface, ultralow velocity zones rich in iron and large dense provinces of unknown composition and mineralogy. New evidence has emerged showing the origin of these features, California Institute of Technology (Caltech) recently announced.
The layer in question is 2 900 km (1 802 miles) deep and its composition is highly important for understanding the evolution and dynamics of our Earth. A team of scientists has conducted a research which suggests that bridgmanite, the most common mineral on our planet, might occupy 20% of the boundary. Results of the research could explain previous seismic observations and geodynamical modeling results.
Beside occupying about 20 percent of the core-mantle boundary surface bridgmanite and rise up to a depth of about 1 500 km. This finding represents a breakthrough because although bridgmanite is the earth’s most abundant mineral, the researchers only recently have had the ability to precisely measure samples of it in an environment similar to what they think the materials are experiencing inside the earth.
The study has been conducted by taking precise X-ray measurements, with two different beamlines at the Advanced Photon Source of Argonne National Laboratory in Illinois, of synthetic bridgmanite samples compressed by diamond anvil cells (see image below) to over 1 million times the earth’s atmospheric pressure and heated to thousands of degrees. Gathered data has allowed the scientists to compare the results to seismic observations of the core-mantle boundary.
The new measurements of bridgmanite at deep mantle conditions allowed to show that these provinces are very likely to be dense and iron-rich, helping them to remain stable over geologic time.
Researchers have also measured the behavior of iron in the crystal structure of bridgmanite, by using a Mössbauer spectroscopy technique. Results showed the iron-bearing bridgmanite is stable in conditions of extreme temperatures over 2 000 °C (3 632 °F) and pressures up to 130 gigapascals (GPa).
This is the first study to combine high-accuracy density and stiffness measurements with Mössbauer spectroscopy, allowing to pinpoint iron’s behaviour within bridgmanite. The results also show that these provinces cannot possibly contain a large complement of radiogenic elements.
According to the newest results, it seems the rest of the lower mantle is not entirely composed of bridgmanite, as previously thought, and other phases, or minerals, need to be present as well.
There is still a lot of work to be done, such as identifying the dynamics of subducting slabs, which probably plays a role in providing an external force to shape these large bridgmanite provinces.
Source: Caltech: http://www.caltech.edu/

bridgmanite copie

Cette image montre un échantillon de bridgmanite porté à haute température par laser entre deux cellules à enclumes de diamant. Cette manipulation permet aux chercheurs de soumettre l’échantillon à des pressions supérieures à un million de fois l’atmosphère terrestre avec des températures de plusieurs milliers de degrés Celsius.