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Un panache mantellique sous l’Ouest Antarctique ? // A mantle plume beneath West Antarctica ?

Des chercheurs de la NASA ont découvert sous la Terre Marie-Byrd en Antarctique, entre la Barrière de Ross et la Mer de Ross, un panache mantellique produisant presque autant de chaleur que le super volcan de Yellowstone. Ce point chaud donne naissance à de vastes lacs et de longues rivières sous la calotte glaciaire. La présence d’un énorme panache mantellique pourrait expliquer pourquoi la région est si instable aujourd’hui, et pourquoi elle s’est effondrée si rapidement à la fin de la dernière période glaciaire, il y a 11 000 ans.
Depuis 30 ans, les scientifiques sont persuadés qu’un panache mantellique existe sous la Terre Marie-Byrd. Sa présence expliquerait l’activité volcanique observée dans la région, ainsi que le dôme qui s’y trouve. Cependant, il n’y avait jusqu(à présent aucune preuve pour étayer cette idée. Aujourd’hui, les scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA ont créé des modèles numériques performants pour montrer quelle quantité de chaleur devrait exister sous la glace pour confirmer leurs observations. Ces dernières incluent le dôme et les rivières, ainsi que les lacs souterrains géants présents sur le substrat rocheux de l’Antarctique. Au fur et à mesure que les lacs se remplissent et se vident, la glace située à des centaines de mètres au-dessus monte et descend, parfois avec des variations de niveau allant jusqu’à 6 mètres.
Pour avoir une meilleure idée du fonctionnement d’un point chaud, les chercheurs du JPL ont examiné l’un des panaches mantelliques les plus étudiés sur Terre, le point chaud de Yellowstone. L’équipe scientifique a créé un modèle de panache mantellique afin de déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour expliquer ce qui se passe au niveau de la Terre Marie-Byrd. Ils ont ensuite utilisé l’Ice Sheet System Model (ISSM), qui montre les propriétés physiques de la banquise, pour étudier les sources naturelles de chaleur et de transport de cette chaleur. Ce modèle a permis aux chercheurs de tester différents scénarios montrant comment la chaleur est produite en profondeur sous la glace.
Leurs résultats montrent qu’en général l’énergie produite par le panache mantellique ne dépasse pas 150 milliwatts par mètre carré; une énergie supérieure ferait trop fondre la glace. La chaleur produite dans le Parc National de Yellowstone est en moyenne de 200 milliwatts par mètre carré. Les scientifiques ont également identifié une zone où le flux de chaleur doit être d’au moins 150-180 milliwatts par mètre carré, mais les données laissent supposer que la chaleur en provenance du manteau à cet endroit sort d’une fracture dans la croûte terrestre.
Dans la conclusion de leur étude, les chercheurs du JPL expliquent que le panache mantellique de la Terre Marie-Byrd s’est formé il y a entre 50 et 110 millions d’années, bien avant que la terre qui se trouve au-dessus ait été recouverte par la glace. Ils ajoutent que la chaleur produite par le panache a un «impact local important» sur la calotte glaciaire. Comprendre ces processus permettra aux chercheurs de déterminer le comportement de la banquise dans les années à venir.
Source: Jet Propulsion Laboratory de la NASA.

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Researchers at NASA have discovered a mantle plume producing almost as much heat as Yellowstone supervolcano under Marie Byrd Land in Antarctica, which lies between the Ross Ice Shelf and the Ross Sea. This hotspot is creating vast lakes and rivers under the ice sheet. The presence of a huge mantle plume could explain why the region is so unstable today, and why it collapsed so quickly at the end of the last Ice Age, 11,000 years ago.

For 30 years, scientists have suggested that a mantle plume may exist under Marie Byrd Land. Its presence would explain the volcanic activity seen in the area, as well as a dome feature that exists there. However, there was no evidence to support this idea. Now, scientists from NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) have created advanced numerical models to show how much heat would need to exist beneath the ice to account for their observations which include the dome and the giant subsurface rivers and lakes that are present on Antarctica’s bedrock. As lakes fill and drain, the ice hundreds of metres above rises and falls, sometimes by as much as 6 metres.

To have a better idea of how a hotspot works, the JPL researchers looked at one of the most well studied magma plumes on Earth, the Yellowstone hotspot. The team developed a mantle plume model to look at how much geothermal heat would be needed to explain what is seen at Marie Byrd Land. They then used the Ice Sheet System Model (ISSM), which shows the physics of ice sheets, to look at the natural sources of heating and heat transport. This model enabled researchers to test out different scenarios of how much heat was being produced deep beneath the ice.

Their findings showed that generally the energy being generated by the mantle plume is no more than 150 milliwatts per square metre; any more would result in too much melting. The heat generated under Yellowstone National Park, on average, is 200 milliwatts per square meter. Scientists also found one area where the heat flow must be at least 150-180 milliwatts per square metre, but data suggests mantle heat at this location comes from a rift in the Earth’s crust where heat can rise up.

In the conclusion of their study, the JPL researchers say the Marie Byrd Land mantle plume formed 50-110 million years ago, long before the land above was hidden by ice. They add that heat from the plume has an “important local impact” on the ice sheet. Understanding these processes will allow researchers to work out what will happen to it in the future.

Source: NASA’s Jet Propulsion Laboratory.

L’Ouest Antarctique et la terre Marie-Byrd (Source: Wikipedia)

Vue de la Terre Marie-Byrd (Crédit photo: NASA)

 

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)

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

Une équipe scientifique japonaise espère être la première à atteindre et explorer avec succès le manteau terrestre. Les chercheurs de l’Agence Japonaise pour la Science et la Technologie Mer-Terre (JAMSTEC) espèrent mieux comprendre comment la Terre s’est formée et quelle est la composition du manteau. Ce dernier représente plus de 80% de la masse de notre planète, à une dizaine de kilomètres sous le plancher océanique. Le gouvernement japonais, qui participe au financement de l’expédition, espère que les recherches pourront permettre de mieux prévoir les séismes.
Trois sites de forage sont actuellement à l’étude, tous dans l’océan Pacifique. L’un d’eux est au large des côtes hawaiiennes, un autre au large du Costa Rica et le dernier au large du Mexique. Pour accéder au manteau, la JAMSTEC veut utiliser le Chikyu, l’un des navires de forage les plus performants actuellement. C’est le plus grand navire de forage, avec une capacité de forage trois fois plus profonde que les navires précédents. Le trépan du Chikyu descendra à 4 kilomètres de profondeur dans les eaux océaniques avant d’atteindre plancher. Il perforera ensuite la croûte terrestre sur 6 kilomètres avant d’atteindre le manteau.
Les scientifiques ont déjà foré et récupéré des échantillons du fond de l’océan, mais seulement en surface. Ils veulent maintenant creuser le plancher océanique jusqu’au manteau proprement dit. Le forage débutera en 2030 au plus tard. Le projet a quatre objectifs principaux. Le premier (en cours) consiste à accéder au manteau de la planète en traversant le plancher océanique. Le deuxième objectif est d’étudier la frontière entre la croûte océanique et le manteau. Le troisième est de savoir comment s’est formée la croûte océanique. L’objectif final est d’examiner à quelle profondeur existe la vie microbienne à l’intérieur de la planète.
Source: CNN.

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A group of Japanese scientists plans to be the first to successfully drill into the Earth’s mantle. Researchers at Japan’s Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) say they are hoping to discover more about how our planet was formed and what the mantle is composed of. The mantle makes up more than 80% of the entire Earth’s mass, lying about 10 km beneath the ocean floor. The Japanese government, which is helping fund the expedition, hopes the research could help discover ways to better predict earthquakes.

Three drilling sites are currently under consideration, all of them in the Pacific Ocean. One is off Hawaii, another one is off Costa Rica and the last one is off Mexico. To access the mantle, JAMSTEC wants to use one of the most advanced drilling vessels currently available, the Chikyu. It is the biggest drilling ship today, so the drilling capability is three times deeper than the previous vessels. The Chikyu’s drill will drop down through almost 4 kilometres of ocean before reaching the ocean floor. It will then bore through 6 kilometres of the sea floor, or the planet’s crust, before it reaches the mantle.

The scientists have already drilled and have taken some samples from the ocean floor but only from the top. They now want to dig from the ocean floor to the deep pristine mantle. Drilling will start by 2030 at the latest. The project has four primary objectives, only the first of which is to access the planet’s mantle by drilling through the sea floor. The second aim is to investigate the boundary between the oceanic crust and the mantle. The third one is to know how the oceanic crust formed. The final objective is to further examine how deep microbial life exists inside the planet.

Source: CNN.

Nodules de péridotite, roche magmatique qui constitue la majeure partie du manteau supérieur. (Photo : C. Grandpey)

Histoire d’eau et de manteau…. // A story of water and mantle….

drapeau-francaisUne étude conjointe de la Carnegie Institution for Science et la Woods Hole Oceanographic Institution, dont les résultats ont été publiés dans la revue Science, a permis de découvrir que la température moyenne du manteau terrestre sous les bassins océaniques est d’une soixantaine de degrés Celsius supérieure à ce que l’on pensait jusqu’à présent, à cause de la présence d’eau dans les minéraux profonds.
Le manteau, la couche intermédiaire entre le noyau et la croûte terrestre, est la principale source du magma qui s’échappe à la surface sous forme de lave lors des éruptions volcaniques. Les minéraux qui composent le manteau contiennent de petites quantités d’eau, pas sous forme liquide, mais sous forme de molécules individuelles dans la structure atomique du minéral. Les dorsales océaniques se forment lorsque les minéraux contenus dans le manteau dépassent leur point de fusion, fondent partiellement et produisent le magma qui monte à la surface. En se refroidissant, le magma forme le basalte qui constitue la base de la croûte océanique. Dans ces dorsales océaniques, le basalte peut avoir de 5 à 7 kilomètres d’épaisseur. L’étude des dorsales sous-marines peut donner des indications sur ce qui se passe dans le manteau, ainsi que sur la géochimie sous la surface de la Terre.
Les scientifiques se sont pendant longtemps posé des questions sur  la mesure de la température potentielle du manteau. La température potentielle est une quantification de la température moyenne d’un système dynamique en supposant que chaque partie de ce système est théoriquement soumise à la même pression. La détermination de la température potentielle d’un système mantellique permet aux scientifiques de mieux comprendre les voies d’écoulement du magma et la conductivité sous la croûte terrestre. On peut estimer avec plus de précision la température potentielle d’une zone du manteau en connaissant le point de fusion des roches qui participent à une éruption sous forme de magma et refroidissent ensuite pour former la croûte océanique.
Dans les conditions d’humidité, le point de fusion de la péridotite, qui fond pour former l’essentiel des basaltes des dorsales médio-océaniques, est considérablement plus bas que dans les conditions sèches, quelle que soit la pression. Cela signifie que la profondeur à laquelle les roches du manteau commencent à fondre et remontent à la surface sera différente si la péridotite contient de l’eau et, sous la croûte océanique, on pense que les minéraux du manteau supérieur contiennent de petites quantités d’eau, entre 50 et 200 ppm.
Les auteurs de l’étude ont mis en oeuvre des expériences de laboratoire afin de déterminer le point de fusion de la péridotite sous des pressions analogues à celles du manteau, en présence de quantités d’eau connues. C’était la première fois que des expériences étaient menées pour déterminer précisément dans quelle mesure la température de fusion du manteau dépendait de petites quantités d’eau. Les chercheurs ont constaté que la température potentielle du manteau sous la croûte océanique est plus élevée que celle qui avait été estimée précédemment. Ces résultats sont importants car ils peuvent changer notre compréhension de la viscosité du manteau et ils permettront peut-être de savoir jusqu’à quel point elle joue un rôle dans certains mouvements des plaques tectoniques.
Source: Carnegie Institution for Science.

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drapeau-anglaisA joint study between the Carnegie Institution for Science  and the Woods Hole Oceanographic Institution, whose results have been published in the journal Science, has determined that the average temperature of Earth’s mantle beneath ocean basins is about 60 degrees Celsius higher than previously thought, due to water present in deep minerals.

Earth’s mantle, the layer just beneath the crust, is the source of most of the magma that erupts at volcanoes. Minerals that make up the mantle contain small amounts of water, not as a liquid, but as individual molecules in the mineral’s atomic structure. Mid-ocean ridges are formed when these mantle minerals exceed their melting point, become partially molten, and produce magma that ascends to the surface. As the magmas cool, they form basalt, the basis of oceanic crust. In these oceanic ridges, basalt can be 5 to 7 kilometres thick. Studying these undersea ridges can teach scientists about what is happening in the mantle, and about the Earth’s subsurface geochemistry.

One longstanding question has been a measurement of the mantle’s potential temperature. The potential temperature is a quantification of the average temperature of a dynamic system if every part of it were theoretically brought to the same pressure. Determining the potential temperature of a mantle system allows scientists to better understand flow pathways and conductivity beneath the Earth’s crust. The potential temperature of an area of the mantle can be more closely estimated by knowing the melting point of the mantle rocks that eventually erupt as magma and then cool to form the oceanic crust.

In damp conditions, the melting point of peridotite, which melts to form the bulk of mid-ocean ridge basalts, is dramatically lower than in dry conditions, regardless of pressure. This means that the depth at which the mantle rocks start to melt and well up to the surface will be different if the peridotite contains water, and beneath the oceanic crust, the upper mantle is thought to contain small amounts of water, between 50 and 200 ppm.

The authors of the study set out to use lab experiments in order to determine the melting point of peridotite under mantle-like pressures in the presence of known amounts of water. This was the first time experiments had ever been conducted to determine precisely how the mantle’s melting temperature depends on such small amounts of water. The researchers found that the potential temperature of the mantle beneath the oceanic crust is hotter than had previously been estimated. These results are important as they may change our understanding of the mantle’s viscosity and how it influences some tectonic plate movements.

Source : Carnegie Institution for Science.

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Nodules de péridotite (Photo: C. Grandpey)