Étiquette : mantle

Une découverte des chercheurs de Clermont-Ferrand // A discovery by researchers of Clermont Ferrand (France)

Ça ne va pas révolutionner la volcanologie, mais la découverte a le mérite d’exister et, en plus, elle a été faite par 7 chercheurs du laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand. Ils ont confirmé la présence d’une fine couche de magma sur la quasi-totalité du manteau terrestre, à plus de 350 km de profondeur. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature communications.

La théorie en question, vieille d’une quinzaine d’années, n’avait jamais été prouvée expérimentalement. L’idée de départ était de comprendre la source et la formation du magma, notamment pour le volcanisme de « point chaud », comme celui que l’on observe à Yellowstone ou Hawaï. Ces points chauds prennent leur source très profondément, dans le manteau terrestre, à plusieurs centaines de kilomètres.

Le travail des chercheurs s’est appuyé sur l’étude de la roche et des minéraux qui la composent, selon les différentes strates du manteau terrestre. Ils ont pu établir le rôle prédominant de l’eau dans la fusion de la roche. Le manteau supérieur et la croûte terrestre se composent surtout d’olivine qui ne contient pas d’eau. Or, ce n’est pas le cas du minéral qui compose la phase de transition, quelques centaines de kilomètres plus en profondeur.

La question était de savoir ce que devient cette eau lorsque la roche remonte sous l’effet des mouvements du manteau terrestre. Aucun forage n’a pu, jusqu’à aujourd’hui, creuser à plus de 13 kilomètres dans la croûte terrestre, ce qui est très peu à l’échelle de la structure interne de la planète.

Les 7 chercheurs clermontois ont donc décidé de recréer les conditions qui règnent à 400 kilomètres de profondeur dans leur laboratoire, avec un échantillon d’olivine, ce qui ‘avait encore jamais été réalisé. Avec une pression de 12 à 15 Giga Pascal – soit plus de 100.000 fois la pression atmosphérique – et à une température de 1400 °C exercée par une gigantesque presse, les chercheurs ont pu observer en direct la fusion de la roche, grâce à l’eau excédentaire lorsque le minéral change de phase. Un deuxième essai, sans apport d’eau, montre qu’aucune fusion ne se réalise. La présence de magma mélangé à de la roche à cette profondeur n’avait jamais été prouvée. Cela pourrait aider à expliquer le volcanisme de point chaud.

Source : Journal La Montagne.

————————————————

It will not revolutionize volcanology, but the discovery has the merit to exist and, in addition, it was made by 7 researchers from the laboratory Magmas et Volcans of Clermont-Ferrand. They confirmed the presence of a thin layer of magma on almost the entire Earth’s mantle, more than 350 km deep. Their work was published in the journal Nature Communications.
The theory, about fifteen years old, had never been experimentally proved. The initial idea was to understand the source and formation of magma, especially for « hot spot » volcanism, such as that observed in Yellowstone or Hawaii. These hot spots have their source very deep – several hundred kilometres – in the Earth’s mantle.
The researchers’work was based on the study of the rock and the minerals that compose it, according to the different layers of the Earth’s mantle. They were able to establish the predominant role of water in the melting of the rock. The upper mantle and the Earth’s crust are mainly composed of olivine which does not contain water. However, this is not the case of the mineral that makes up the transition phase, a few hundred kilometres deeper.
The question was to know what happens to this water when the rock rises under the effect of the movements of the Earth’s mantle. To date, no drilling has been able to dig more than 13 kilometres into the Earth’s crust, which is very little at the scale of the planet’s internal structure.
The 7 researchers have therefore decided to recreate the conditions that prevail 400 kilometres deep in their laboratory, with an olivine sample, which had never been done before. With a pressure of 12 to 15 Giga Pascal – more than 100,000 times the atmospheric pressure – and at a temperature of 1400°C exerted by a gigantic press, the researchers were able to observe live the melting of the rock, thanks to the excess water when the mineral changes phase. A second test, without any water supply, showed that no fusion happened. The presence of magma mixed with rock at such a depth had never been proven. This could help explain hot spot volcanism.
Source: La Montagne.

Hawaii, un parfait exemple de point chaud (Source: Wikipedia)

Nouvelle théorie sur Yellowstone // New theory about Yellowstone

Les scientifiques se sont toujours posé des questions sur le super volcan de Yellowstone. Ils ont essayé de comprendre son fonctionnement interne et les résultats de leurs études ont souvent été remis en question ou débattus. Un exemple des incertitudes concernant Yellowstone est donné par une étude récente menée par des chercheurs de l’Université de l’Illinois.
Les scientifiques ont utilisé des simulations informatiques pour étudier l’histoire de Yellowstone sur plus de 20 millions d’années, et leurs résultats contredisent la théorie la plus répandue sur l’activité volcanique dans la région. Ils ont constaté que l’activité volcanique à Yellowstone est beaucoup plus complexe et dynamique qu’on ne le pensait auparavant. Ils ont utilisé la tomographie sismique pour scruter les profondeurs du sous-sol de l’ouest des États-Unis et reconstituer l’histoire géologique qui se cache derrière le volcanisme.
À l’aide de puissants ordinateurs, l’équipe scientifique a imaginé différents scénarios tectoniques et leurs résultats ne valident pas l’hypothèse traditionnelle du panache mantellique qui s’élève verticalement vers la surface et provoquerait l’activité volcanique dans la région. Les observations des chercheurs révèlent que c’est plutôt une activité proche de la surface de la planète qui serait responsable du volcanisme, même si la cause exacte reste un mystère.
Selon l’étude, il semble que le panache mantellique sous l’ouest des États-Unis se soit enfoncé de plus en plus profondément dans la Terre au fil du temps. Cela laisse supposer qu’un obstacle proche de la surface – peut-être une plaque océanique en provenance de la limite tectonique occidentale – interfère avec l’ascension du panache. En conséquence, la source de chaleur dont dépend le volcanisme à l’intérieur des terres proviendrait en fait du manteau océanique peu profond à l’ouest de la côte nord-ouest du Pacifique.
La chaleur qui provoque le volcanisme naît habituellement dans les zones où les plaques tectoniques se rencontrent et où l’une d’elles glisse sous une autre dans un processus de subduction. Cependant, Yellowstone et d’autres zones volcaniques de l’ouest des États-Unis sont loin des limites de la zone de subduction le long de la côte ouest. S’agissant du volcanisme à l’intérieur des terres, on pensait qu’une source de chaleur profonde – un panache mantellique – faisait fondre la croûte et générait le volcanisme en surface. L’hypothèse du panache mantellique a été controversée pendant de nombreuses années et la dernière étude vient s’ajouter aux preuves d’un nouveau scénario tectonique.
Dans une étape suivante, l’équipe de chercheurs de l’Université de l’Illinois espère inclure dans les modélisations des données chimiques provenant des roches volcaniques. Cela permettra de mieux localiser la source exacte du magma car les roches des panaches mantelliques profonds et des plaques tectoniques proches de la surface ont des composantes chimiques différentes.
University of Illinois at Urbana-Champaign.

——————————————–

Scientists have always been asking questions about the super volcano of Yellowstone. They have tried to understand the inner workings of the volcano and the results of their studies have often been questioned or debated. An example of the uncertainties about Yellowstone is given by a recent study led by researchers at the University of Illinois.

The scientists used computer simulations to study the history of Yellowstone over 20 million years, with findings contradicting the traditional theory of volcanic activity in the region. They digitally played back a portion of the park’s geologic history, finding that volcanic activity at Yellowstone is far more complex and dynamic than was previously thought. They used seismic tomography to peer deep into the subsurface of the western US and piece together the geologic history behind the volcanism.

Using supercomputers, the team ran different tectonic scenarios to simulate a range of possible geologic histories for the region. The results gave little support for the traditional mantle plume hypothesis, which argues that heat from deep within the Earth rising vertically toward the surface is the cause of volcanic activity in the area. The team’s observations instead suggest activity much closer to the planet’s surface is responsible, although the exact cause remains a mystery.

According to the study, it appears that the mantle plume under the western US is sinking deeper into the Earth through time. This suggests that something closer to the surface – an oceanic slab originating from the western tectonic boundary – is interfering with the rise of the plume. A robust result from these models is that the heat source behind the extensive inland volcanism actually originated from the shallow oceanic mantle to the west of the Pacific Northwest coast.

The heat needed to drive volcanism usually occurs in areas where tectonic plates meet and one slab subducts under another. However, Yellowstone and other volcanic areas of the inland western US are far away from the active plate boundaries along the west coast. In these inland cases, a deep-seated heat source – a mantle plume – was suspected of driving crustal melting and surface volcanism. The mantle plume hypothesis has been controversial for many years and the new findings add to the evidence for a revised tectonic scenario.

Eventually, the team hopes to include chemical data from volcanic rocks in their models.

This should help them to further pinpoint the exact source of the magma, as rocks from deep mantle plumes and near-surface tectonic plates would have different chemical components.

University of Illinois at Urbana-Champaign.

Photo: C. Grandpey

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.

————————————–

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.

———————————-

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)