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

L’hélium de Yellowstone // Helium at Yellowstone

drapeau francaisAprès le séisme de M 4,8 qui a secoué Yellowstone le 30 mars dernier, certaines personnes ont prétendu que les émissions d’hélium étaient en hausse dans la caldeira, signe d’une éruption à court terme. Même si une telle affirmation va trop loin, il est indéniable qu’il existe une relation entre l’hélium et l’activité volcanique ou magmatique. Il y a quelques années, j’ai mentionné l’importance de l’hélium à propos des émissions gazeuses sur les basses pentes de l’Etna (voir le résumé de mon étude dans la colonne de gauche de ce blog).

Suite à l’événement sismique à Yellowstone, Erik Klemetti, professeur de Sciences de la Terre à l’université Denison, a écrit un article très intéressant intitulé « Ce que l’hélium peut nous dire à propos des volcans » : http://www.wired.com/category/eruptions

Erik nous explique que le rapport entre les deux isotopes naturels de l’hélium (3He et 4He) peut nous donner des informations sur l’origine de l’hélium. En effet, l’hélium provient de deux sources principales : (1) le manteau, qui renferme l’hélium apparu lors de la formation de la planète et (2) la croûte, où l’hélium provient de la désintégration radioactive d’éléments comme l’uranium et le thorium. Ces deux sources d’hélium montrent cependant quelques différences. L’hélium mantellique est dominé par le 3He (2 protons, 1 neutron), tandis que la désintégration des éléments dans la croûte va produire le 4He (2 protons, 2 neutrons).
Cela signifie que lorsque l’on mesure le rapport isotopique de l’hélium en provenance du sol, des sources chaudes, des puits ou des fumerolles, on peut déterminer la quantité d’hélium produite lors du dégazage du magma en provenance du manteau, ou par la désintégration radioactive de l’uranium et du thorium dans la croûte.

Erik Klemetti explique les émissions d’hélium à Yellowstone en faisant référence à un article publié par Jake Lowenstern (responsable de l’Observatoire de Yellowstone ) et d’autres scientifiques dans la revue Nature le 19 février 2014. Les auteurs ont constaté que les zones qui produisaient le plus d’hélium étaient situées dans la bordure méridionale de la caldeira. Ces zones libèrent essentiellement de l’hélium provenant de la croûte, et non du magma qui se trouve sous Yellowstone. Selon l’étude, les proportions les plus élevées de 3He/4He se situent au cœur de la caldeira. Lowenstern et les autres scientifiques ont calculé la quantité de 4He que la croûte sous Yellowstone était susceptible d’émettre en se basant sur les proportions d’uranium et de thorium. Ils ont constaté que la région de Yellowstone libère près de 600 fois plus de 4He qu’elle le devrait, si l’on se base sur la désintégration de l’uranium et du thorium. Cela signifie probablement que le volcan de Yellowstone laisse échapper de l’hélium qui est resté emprisonné dans la croûte pendant des millions, voire des milliards d’années. L’hélium de Yellowstone n’est en aucune façon lié au magma qui se trouve sous la caldeira ; il a probablement quitté la croûte lors de séismes ou sous l’effet du réchauffement de la croûte par le magma.

Erik Klemetti conclut son article en écrivant que la quantité d’hélium émise ne nous dit pas grand-chose sur l’activité volcanique dans la mesure où l’hélium, quel qu’il soit, peut se trouver libéré au cours des épisodes sismiques qui affectent un volcan. Il faut connaître le rapport 3He/4He pour comprendre si les variations des émissions d’hélium ont une origine magmatique.  Le problème est qu’il n’existe pas de moyen facile et peu coûteux pour obtenir des mesures rapides des ratios 3He/4He sur le terrain. Les échantillons doivent être acheminés à un laboratoire pour y être analysés.
Si on ne prend en compte que la quantité d’hélium produite par un volcan, on n’obtient qu’une pièce du puzzle de l’activité volcanique. Malgré tout, les mesures des émissions d’hélium et de leur composition isotopique sont d’une grande utilité. Comme on vient de le voir,  il existe à Yellowstone un important volume d’hélium stocké dans la croûte qui peut être libéré par des processus non liés à des phénomènes qui pourraient conduire à une éruption.

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drapeau anglaisAfter the M 4.8 earthquake that rocked Yellowstone on March 30th, some people pretended that helium emissions were rising in the caldera, meaning an eruption was to take place in the short term. Even though such a direct statement goes too far, it is undisputable that a relationship exists between helium and volcanic – or rather magmatic – activity. A few years ago, I mentioned helium about the gaseous emissions on the lower slopes of Mount Etna (see abstract of this study in the left-hand column of this blog).

In the wake of the seismic event at Yellowstone, Erik Klemetti, an assistant professor of Geosciences at Denison University, wrote a very interesting article entitled “What helium can tell us about volcanoes”: http://www.wired.com/category/eruptions

Erik explains us that the ratio between helium’s two naturally-occurring isotopes (3He and 4He) can tell us about the source of the helium. Indeed, helium can come from two main sources: (1) the mantle, that includes helium from the formation of the planet, and (2) the crust, where it comes from the radioactive decay of elements like uranium and thorium. These two sources of helium, however, show some differences. Mantle-derived primordial helium is dominated by the 3He (2 protons, 1 neutron) while the decay of elements in the crust will produce the 4He (2 protons, 2 neutrons).

This means that when you measure the isotopic ratio of helium being released in soils, hot springs, wells or fumaroles, you can determine how much of that helium is being derived from either degassing of magma coming from the mantle or from the radioactive decay of uranium and thorium in the crust.

Erik Klemetti explains the helium emissions at Yellowstone with reference to an article published by Jake Lowenstern (scientist in charge of the Yellowstone Observatory) and others in the journal Nature on February 19th 2014. The authors found that the most productive areas of helium emissions were located in the southern margin of the caldera. These areas are mainly releasing helium derived from the crust, not any magma underneath Yellowstone. According to the study, the highest 3He/4He ratios are in the heart of the caldera. Lowenstern and others calculated how much 4He the crust underneath Yellowstone could produce based on the uranium and thorium content. They found that the Yellowstone area releases almost 600 times more 4He than it should, based on the decay of uranium and thorium. This means that it is probably releasing helium that has been trapped in the crust for millions to billions of years. This helium at Yellowstone is in no way related to the magma underneath the caldera, but has likely been freed from the crust by the earthquakes and heating of the crust done by the magma.

Erik Klemetti concludes his article by writing that he amount of helium being released doesn’t tell us much about volcanic activity, as helium of any sort might be liberated by earthquakes under a volcano. We need to know the ratio of 3He/4He of that helium to understand whether the changes in emissions are actually related to magma. The problem is that there is no easy way to get fast and cheap measurements of the 3He/4He ratios in the field. The samples need to be taken to a laboratory to be analysed.

If you only consider the amount of helium being released at the volcano, you’re only getting a piece of the full picture of volcanic activity. However, you can learn a lot from measuring helium emissions and their isotopic composition. At Yellowstone, there is a significant volume of stored helium in the crust that can be released by processes unrelated to anything that could lead to an eruption.

Yell-blog

Photo:  C.  Grandpey

 

Voyage au centre de la Terre // Journey to the centre of the Earth

drapeau francais   Depuis des siècles, l’Homme essaye de comprendre l’intérieur de la Terre. Les géologues tentent de donner des explications scientifiques tandis que les écrivains utilisent leur imagination pour décrire les profondeurs de notre planète. Dante imaginait le centre de la Terre comme un désert de glace où la lumière divine n’avait pas accès. De son côté, Jules Verne espérait l’atteindre en faisant pénétrer ses héros par le cratère du Snaefells islandais.

Cette volonté de fouiller les entrailles de la Terre a persisté au 20ème siècle, en particulier avec l’exploration de grottes comme le gouffre de Krubera-Voronja, dans la partie occidentale du Caucase, qui a été visitée jusqu’à une profondeur de 2191 mètres.

Les mines d’or les plus profondes du monde – TauTona et Savuka – en Afrique du Sud sont exploitées jusqu’à plus de 3900 mètres.

En mai 1970, pour célébrer l’anniversaire de Lénine, l’Union soviétique avait initié en secret le projet « SG-3 » sur la Péninsule de Kola, au nord du pays. Il s’agissait d’un forage destiné à étudier la discontinuité de Mohorovicic (souvent raccourcie à Moho) qui se trouve à une quinzaine de kilomètres de profondeur dans cette région du globe. Le projet s’est poursuivi jusqu’en 1989, année où des problèmes techniques et financiers ont conduit à son abandon à 12 261 mètres de profondeur.

Les Etats-Unis ont eu la même idée, mais dans un secteur où la croûte océanique est moins épaisse (5 – 10 km). Le projet Mohole a débuté en 1961 pour prendre fin en 1966. Des échantillons de plancher océanique de 170 mètres de longueur ont été récoltés et le forage a atteint 3500 mètres.

De nos jours, certains rêvent de disposer d’une foreuse qui permettrait d’atteindre le manteau terrestre, mais les mécènes ne se bousculent pas au portillon et il y a des chances pour que le coeur de notre planète garde ses secrets pendant encore de très nombreuses années !

Source : Scientific American.

 

drapeau anglais   For centuries, Man has tried to understand the Earth’s interior. Geologists attempt to give scientific explanations while writers use their imagination to describe the depths of our planet. Dante imagined the centre of the Earth as a desert of ice where the divine light had no access. For its part, Jules Verne hoped to reach it with its heroes entering the crater of Icelandic Snaefells.
This desire to search the bowels of the Earth has persisted in the 20th century, especially with the exploration of caves like Krubera-Voronja in the western part of Caucasus, which was visited to a depth of 2,191 metres .
The deepest gold mines of the world – TauTona and Savuka –  in South Africa are exploited to more than 3,900 metres.

In May 1970, to celebrate the birthday of Lenin, the former Soviet Union initiated the secret project “SG-3” on the Kola-Peninsula. The drilling project planned to study the Mohorovicic discontinuity, situated at a depth of 15 kilometres. The project continued until 1989, when technical and financial problems stopped the drill at 12,261 metres.
The United States initiated a similar ambitious project, but decided to drill the thinner oceanic crust (5-10 kilometres thick). Project Mohole started in 1961 and was abandoned in 1966, after recovering 170 meters long cores from the ocean floor in a depth of 3.500 meters.

Nowadays, some people dream of having a drill that would get to the mantle, but the sponsors are not lining up at the gate and there is a chance that the heart of our planet will still keep its secrets for numerous years!
Source: Scientific American.

Snaefells-blog

Les Snaefells (Islande) cher à Jules Verne

Nouvelle approche des dorsales médio-océaniques // A new approach of mid-ocean ridges

drapeau francais   Des chercheurs de l’Institut Océanographique Scripps de San Diego ont publié une nouvelle étude sur la naissance du plancher le long des dorsales médio-océaniques. En utilisant une technologie électromagnétique mise au point à Scripps, ils ont cartographié une vaste zone située sous le plancher océanique dans la partie septentrionale de la dorsale Est-Pacifique, au large de l’Amérique Centrale. Il s’agit d’une zone où deux plaques tectoniques s’écartent et où le magma en provenance du manteau forme un nouveau plancher océanique.

Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature du 28 mars. La technologie électromagnétique a démontré que le soulèvement du manteau sous cette dorsale crée une zone de fusion beaucoup plus vaste et plus profonde qu’on le pensait jusqu’à présent (voir l’image ci-dessous).

Ces résultats ont été obtenus grâce à un travail sur le terrain effectué en 2004 à bord du navire scientifique Roger Revelle, propriété de l’US Navy et géré par l’Institut Océanographique Scripps.

La technologie électromagnétique à des fins maritimes a été mise au point dans les années 1960 et a été améliorée par la suite. Depuis 1995, les chercheurs de Scripps collaborent avec le monde de l’industrie énergétique pour appliquer cette technologie à la géologie marine, en particulier dans la détection des gisements de pétrole et de gaz.

Les chercheurs sont persuadés que la science électromagnétique va continuer à progresser, en particulier avec l’amélioration des analyses de données. Jusqu’à aujourd’hui, on s’appuyait essentiellement sur les techniques sismiques pour étudier la croûte et le manteau terrestres. Désormais, la technologie électromagnétique va ouvrir de nouvelles perspectives. Par exemple, il est prévu de l’utiliser pour cartographier les lacs sous-glaciaires dans les régions polaires.

 

drapeau anglais   Researchers at the Scripps Institution of Oceanography of San Diego have studied how new seafloor is created along mid-ocean ridges. Using electromagnetic technology developed and advanced at Scripps, they mapped a large area beneath the seafloor off Central America at the northern East Pacific Rise, an area where two of the planet’s tectonic plates are spreading apart from each another. Mantle rising between the plates melts to generate the magma that forms fresh seafloor.

The results of the study were published in the March 28th issue of the journal Nature. They revealed that electromagnetic technology helped to show that mantle upwelling beneath the mid-ocean ridge creates a deeper and broader melting region than previously thought. (see image below).

Data for the study was obtained during a 2004 field study conducted aboard the research vessel Roger Revelle, a ship operated by Scripps and owned by the U.S. Navy.

The marine electromagnetic technology behind the study was originally developed in the 1960s and was improved in the following years. Since 1995 Scripps researchers have been working with the energy industry to apply this technology to map offshore geology as an aid to exploring for oil and gas reservoirs.

The researchers are convinced that electromagnetics will continue to grow as the technology matures and data analysis techniques improve. Much of what is known about the crust and mantle is a result of using seismic techniques. Now electromagnetic technology is offering promise for further discoveries. For instance, it could be used to map subglacial lakes in the polar regions.

Dorsale-blog

Credit: University of California – San Diego