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L’or du noyau terrestre // The gold of Earth’s core

Selon une nouvelle étude conduite par des chercheurs de l’Université de Göttingen en Allemagne et publiée dans la revue Nature, le noyau terrestre est riche en or qui s’infiltre à travers le manteau et passe dans la croûte terrestre.
En étudiant les isotopes présents dans la roche volcanique issue des profondeurs de la lithosphère, les chercheurs ont découvert que les métaux précieux présents dans la croûte terrestre, dont l’or, commencent par s’échapper du noyau avant d’entamer leur longue remontée vers la surface, aidés en cela par la convection du magma. Les données confirment que des matériaux présents à l’intérieur du noyau, notamment l’or et d’autres métaux précieux, s’infiltrent dans le manteau terrestre.
Bien que l’on puisse accéder à l’or présent dans la croûte terrestre, la partie récoltée ne représente qu’une infime partie de la quantité totale à l’intérieur de notre planète. La nouvelle étude nous explique que plus de 99 % de l’or se trouve dans le noyau; une telle quantité suffirait à recouvrir la totalité de la Terre d’une couche d’or de 50 centimètres d’épaisseur. C’est assez facile à comprendre : lors de leur formation, les éléments les plus lourds se sont enfoncés à travers l’intérieur perméable de la planète et ont fini par être emprisonnés dans le noyau différencié. Par la suite, le bombardement de météores a apporté davantage d’or et de métaux lourds à la croûte terrestre.
Bien que nous ayons la preuve que des isotopes d’hélium et de fer lourd s’échappent du noyau terrestre, on ignorait jusqu’à présent quelle proportion du métal lourd à la surface de la Terre provient du noyau et quelle proportion provient de l’espace.
Les auteurs de l’étude expliquent qu’il existe un moyen d’obtenir une réponse grâce aux isotopes de ruthénium, un métal lourd précieux. Les isotopes du ruthénium issu du noyau terrestre sont légèrement différents de ceux présents à la surface. Les chercheurs ont développé de nouvelles techniques d’analyse qui leur ont permis d’étudier le ruthénium extrait de roches volcaniques à Hawaï et ils ont découvert une quantité de ruthénium-100 nettement supérieure à celle que l’on trouve dans le manteau. Ils en ont conclu qu’il s’agit de l’isotope du ruthénium qui est apparu dans le noyau.
Cette découverte montre que tous les éléments sidérophiles – éléments chimiques associés au fer en raison de son affinité pour cet élément à l’état liquide – s’échappent du noyau. Cela inclut le ruthénium, mais aussi des éléments comme le palladium, le rhodium, le platine… et l’or ! L’apparition de l’or ne se fait pas à un rythme particulièrement rapide, et il ne suffira donc pas de creuser à 2 900 kilomètres de profondeur pour l’extraire.

Cette nouvelle étude nous apprend quelque chose de nouveau sur notre propre planète, et peut-être sur d’autres planètes rocheuses. Selon l’un des auteurs de cette étude, « nous pouvons désormais prouver que d’énormes volumes de matière mantellique surchauffée proviennent de la limite noyau-manteau et remontent à la surface de la Terre pour former des îles océaniques comme Hawaï.»
Source : Médias américains.

Représentation graphique de la structure de la Terre, avec le noyau métallique interne au centre, suivi du noyau externe, du manteau et de la fine croûte à la surface. (Source : Université de Göttingen)

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According to a new study by researchers from Göttingen University in Germany, and publiciste in the journal Nature, Earth’s core is rich with gold, and it is leaking out through the mantle and into the crust.

When studying the isotopes found in the volcanic rock that oozed out from deep under the lithosphere, the researchers found that precious metals in Earth’s crust, including gold, initially leaked out of the core before beginning the long, long journey up to the surface, borne on convecting magma. The data confirmed that material from the core, including gold and other precious metals, is leaking into the Earth’s mantle above.

Although we can access gold in Earth’s crust, the amount there is an estimated minuscule fraction of the total quantity that our planet possesses. The new study suggests more than 99 percent is in its metallic core ; this is enough to cover all of Earth’s land in gold 50 centimeters thick. It makes sense ; indeed, when still forming, the heavier elements sank down through the planet’s mooshy interior and ended up sequestered in the differentiated core, a process known as the iron catastrophe. Later, meteor bombardment delivered more gold and heavy metals to the crust.

Although we have good evidence that primordial helium and heavy iron isotopes are leaking from Earth’s core, it has long been unclear how much of the heavy metal we find on the surface is from the core and how much is from space.

There is, however, a way to investigate through isotopes of a precious heavy metal called ruthenium. The isotopes of ruthenium in Earth’s core are slightly different from surface ruthenium. The researchers developed new analysis techniques that allowed them to study ruthenium that was dug out of volcanic rock on the Hawaiian islands, and discovered a significantly higher amount of ruthenium-100 than can be found in the ambient mantle. That’s the isotope of ruthenium that originated in Earth’s core.

This discovery suggests that all the siderophile elements are leaking out of the core. That includes ruthenium, of course, but also elements such as palladium, rhodium, platinum, and gold. It won’t be emerging at a particularly high rate, nor can we just dig down 2,900 kilometers to get it.

The new study tells us something new about our own planet, and perhaps other rocky planets. According to one author of ths study, « we can now also prove that huge volumes of superheated mantle material originate at the core-mantle boundary and rise to the Earth’s surface to form ocean islands like Hawaii. »

Source : U.S. News media.

Islande : Source des éruptions de Fagradalsfjall et de Sundhnúkagígar // Iceland : Source of the Fagradalsfjall and Sundhnúkagígar eruptions

Depuis l’éruption de Fagradalsfall de 2021 à 2023 jusqu’à la dernière éruption sur la chaîne de cratères de Sundhnúkagígar, il y a eu, à un moment ou à un autre, des désaccords entre scientifiques sur ces événements. Cette fois, c’est le groupe de sismologues de l’Université d’Uppsala en Suède qui contredit la théorie islandaise sur l’emplacement de la chambre magmatique sous le mont Fagradalsfjall.
Jusqu’à présent, les scientifiques islandais pensaient que la chambre magmatique était située à la lisière supérieure du manteau, à plus de 15 km de profondeur. Cependant, selon les résultats des sismologues suédois, elle se trouve directement sous le mont Fagradalsfjall, à une profondeur de seulement 8 à 12 km, c’est-à-dire dans la partie supérieure de la croûte inférieure. La chambre magmatique en question mesure une dizaine de kilomètres de large et contient un magma plutôt primaire.

Le réservoir magmatique peu profond, qui est à l’origine de l’éruption actuelle, est situé à environ 4 ou 5 km sous le secteur de Svartsengi et contient un magma plus élaboré. Le magma s’écoule du réservoir magmatique profond vers le réservoir supérieur, ce qui explique l’inflation au niveau du secteur de Svartsengi. Lorsque le réservoir peu profond est plein et qu’il a accumulé environ 10 à 15 millions de mètres cubes de magma, son toit se brise et une éruption commence.

Le magma qui s’est écoulé lors des éruptions sur le système éruptif du mont Fagradalsfjall de 2021 à 2023 provenait directement du réservoir magmatique profond.
Le magma de l’éruption actuelle au niveau de la chaîne de cratères Sundhnúkagígar a également été observé dans le réservoir magmatique profond, mais il a fait une halte dans le réservoir le moins profond. Le magma semble y avoir séjourné pendant environ 3 à 5 semaines où il s’est modifié au cours du processus de différenciation, devenant plus léger avant de remonter à la surface lors de l’éruption. [NDLR : Une fois encore, cette différenciation subie par le magma au cours de son séjour dans une chambre magmatique me rappelle la théorie des ‘magmas TGV ‘ et des ‘magmas omnibus’ ru regretté Alain De Goër de Herve].
Source : Université d’Islande.

Source : Université d’Uppsala

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From the Fagradalsfall eruption from 2021 to 2023 to the latest eruption on the Sundhnúkagígar crater row, there have been, some time or other, disagreements among scientists about these events. This time, it is the findings of the Uppsala University of Sweden’s seismic group that contradict the previous notion of the location of the magma chamber under Mt Fagradalsfjall.

It was previously thought that the magma chamber was located at the top of the mantle at a depth of more than 15 km. However, according to the results of the Swedish seismologists, it is located directly under Mt Fagradalsfjall at a depth of 8 to 12 km, i.e. in the upper part of the lower crust.

The magma chamber in question is about 10 km wide and contains rather primitive magma.

The shallow magma reservoir, which is the source of the current eruption, is located about 4 to 5 km below Svartsengi, and it holds more advanced magma. The magma flows from the deeper magma reservoir to the upper reservoir, which is the cause of the inflation in Svartsengi. When the shallow reservoir is full, and has axccumulated about 10 to 15 million cubic meters of magma, the roof breaks and an eruption starts.

The magma that flowed in the eruptions in the Mt Fagradalsfjall system from 2021 to 2023 came directly from the deeper magma reservoir.

The magma in the current eruption at the Sundhnúkagígar crater row was detected from the deeper magma reservoir too, but with a stop in the shallower reservoir. The magma appeared to have been in the shallow reservoir for about 3 to 5 weeks where it developed, becoming lighter before it came to the surface during the the eruption.

Source : University of Iceland.

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.

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Photo:  C.  Grandpey