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Panaches mantelliques et points chauds // Mantle plumes and hotspots

drapeau-francaisLes sismologues de l’Université de Californie à Berkeley ont réalisé pour la première fois un scan en trois dimensions de l’intérieur de la Terre qui montre comment les panaches de roche à très haute température en provenance du manteau terrestre sont reliés à des points chauds qui génèrent des chaînes d’îles volcaniques à la surface de la Terre, omme Hawaï, les Samoa et l’Islande. Exemple de tomodensitométrie de l’intérieur de la Terre, l’image a été générée par une simulation informatique à l’aide de superordinateurs au Lawrence Berkeley National Laboratory.
Contrairement à la tomographie médicale qui utilise des rayons X pour examiner le corps humain, les chercheurs ont produit une image des panaches mantelliques en analysant le déplacement des ondes sismiques à l’intérieur de la Terre lors de puissants séismes qui ont secoué la planète au cours des 20 dernières années.
Des tentatives précédentes pour fournir une image des panaches mantelliques avaient montré des poches de roche à haute température qui s’élevaient dans les zones où les panaches avaient été proposés, mais il était difficile de savoir si ces poches étaient connectées aux points chauds volcaniques à la surface ou aux racines des panaches à la frontière entre le noyau et le manteau, à 2900 kilomètres sous la surface de la Terre.
La nouvelle carte haute résolution du manteau ne montre pas seulement ces connexions pour de nombreux points chauds de la planète, mais elle révèle aussi qu’en dessous d’environ 1000 km, les panaches présentent une largeur comprise entre 600 et 1000 kilomètres, ce qui est jusqu’à cinq fois plus que celle estimée jusqu’à maintenant par les géophysiciens. Les panaches ont probablement une température d’au moins 400 ° C supérieure à celle de la roche environnante.
Les connexions entre les panaches provenant de la partie inférieure du manteau et les points chauds volcaniques ne sont pas directes. En effet, les sommets des panaches s’étalent comme le delta d’un fleuve lorsqu’ils rencontrent la roche moins visqueuse du manteau supérieur.
Les nouvelles images montrent également que les bases de ces panaches sont ancrées à la frontière entre le noyau et le manteau où elle forment deux énormes masses de roche à très haute température, avec chacune un diamètre d’environ 5.000 kilomètres, probablement plus denses que les roches environnantes. On estime que ces deux points d’ancrage – l’un sous l’Afrique, l’autre sous l’Océan Pacifique – sont dans ces zones qui existent depuis 250 millions d’années.
L’analyse effectuée par les superordinateurs n’a pas détecté de panaches sous tous les volcans de points chauds, comme le Parc de Yellowstone. Les panaches qui les alimentent sont peut-être trop minces pour être détectés et la technique de modélisation informatique présente encore des limites.

Cette étude a été soutenue par la National Science Foundation et le Conseil Européen de la Recherche.
En cliquant sur ce lien, vous pourrez voir une vidéo montrant la simulation par superordinateur des panaches de roche à haute température pendant leur ascension à travers le manteau, avant de former des chaînes d’îles volcaniques.
https://www.youtube.com/watch?v=tCphzt8iaWc&feature=youtu.be

Source: Université de Californie à Berkeley.

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drapeau-anglaisSeismologists of the University of California at Berkeley have produced for the first time a three-dimensional scan of the Earth’s interior that shows how plumes of hot rock rising through the mantle are connected with surface hotspots that generate volcanic island chains like Hawaii, Samoa and Iceland. A computed tomography (or CT scan) of the Earth’s interior, the picture emerged from a supercomputer simulation at the Lawrence Berkeley National Laboratory.

While medical CTs employ X-rays to probe the body, the scientists mapped mantle plumes by analyzing the paths of seismic waves bouncing around Earth’s interior after 273 strong earthquakes that shook the globe over the past 20 years.

Previous attempts to image mantle plumes had detected pockets of hot rock rising in areas where plumes had been proposed, but it was unclear whether they were connected to volcanic hotspots at the surface or to the roots of the plumes at the core/mantle boundary 2,900 kilometres below the surface.

The new, high-resolution map of the mantle not only shows these connections for many hotspots on the planet, but reveals that below about 1,000 kilometres the plumes are between 600 and 1,000 kilometres across, up to five times wider than geophysicists thought. The plumes are likely at least 400°C hotter than surrounding rock.

The connections between the lower-mantle plumes and the volcanic hotspots are not direct because the tops of the plumes spread out like the delta of a river as they merge with the less viscous upper mantle rock.

The new picture also shows that the bases of these plumes are anchored at the core/mantle boundary in two huge blobs of hot rock, each about 5,000 kilometres in diameter, that are likely denser than surrounding rock. It is estimated that those two anchors – directly opposite one another under Africa and the Pacific Ocean – have been in the same spots for 250 million years.

The supercomputer analysis did not detect plumes under all hotspot volcanoes, such as those in Yellowstone National Park. The plumes that feed them may be too thin to be detected given the computational limits of the global modeling technique.

This study was supported by the National Science Foundation and the European Research Council.

By clicking on this link, you will see  a video showing the supercomputer simulation of plumes of hot rock rising through the mantle to form volcanic island chains.

https://www.youtube.com/watch?v=tCphzt8iaWc&feature=youtu.be

Source: University of California at Berkeley.

Vue globale des points chauds dans le monde (Source : Université de Californie à Berkeley)

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

 

De l’eau en abondance dans le manteau terrestre? // Much water in the Earth’s mantle?

drapeau francaisDes scientifiques de l’Université de l’Alberta (Canada) ont acquis la quasi certitude que l’eau est présente en abondance au plus profond de la croûte terrestre. L’analyse d’un petit fragment de minéral rare qui avait été observé uniquement dans les météorites les a conduits à la conclusion qu’il existe un vaste réservoir d’eau souterrain, avec plus d’eau que dans tous les océans de notre planète.
Avant d’aller plus loin, il faut rappeler que le manteau descend à plus de 2900 kilomètres sous la croûte terrestre, jusqu’au noyau. On le divise en général en deux parties : le manteau supérieur et le manteau inférieur, avec une zone de transition entre ces deux couches, à environ 700 km de profondeur.
Au vu des données sismiques, on pense que le manteau renferme des minéraux avec des caractéristiques semblables à une éponge et qui, de ce fait, retiennent l’eau. Malheureusement, ces minéraux sont beaucoup trop profonds pour pouvoir être atteints avec les équipements de forage dont nous disposons aujourd’hui.
La roche étudiée par les chercheurs canadiens a été remontée à la surface de la Terre par une éruption volcanique, puis récupérée dans une rivière brésilienne en 2009. Après des années d’étude, il a finalement été admis qu’il s’agissait de « ringwoodite » qui se forme avec l’olivine, un minéral très répandu à l’intérieur de la Terre. Entre 410 et 520 km, l’olivine devient de la wadsleyite, puis, entre 520 et 660 km, lorsque la pression augmente, elle devient de la ringwoodite.
Le plus extraordinaire, c’est que l’analyse de la roche a révélé que plus ou moins 1,5 % de son poids était de l’eau qui a été emprisonnée dans la matière minérale au moment de sa formation. Cette eau ne pouvait exister que si elle était abondante dans le manteau terrestre, là où se trouve le minerai actuellement. Le volume total de la zone de transition indique que la concentration de ringwoodite, et donc d’eau, est probablement énorme.
Cependant, un seul échantillon de ringwoodite n’est pas suffisant pour aboutir à des certitudes. Il est nécessaire d’avoir plusieurs de ces échantillons, en sachant que leur profondeur les rend inaccessibles à l’heure actuelle.
Savoir où l’eau est concentrée et en quelle quantité pourrait aider à mieux comprendre la tectonique des plaques. On pense que cette eau est susceptible de «lubrifier » les plaques tectoniques, ce qui faciliterait leurs mouvements et favoriserait les tremblements de terre et les tsunamis. En outre, lorsque l’eau est injectée dans le magma, les éruptions volcaniques deviennent plus violentes.

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drapeau anglaisScientists from the University of Alberta (Canada) have discovered solid evidence to support the idea that water is present in abundance deep within the Earth’s crust. The finding of a small fragment of a rare mineral that had previously only been found in meteorites has led them to the conclusion that there exists a vast reservoir of water underground, with more water than all the oceans of our planet.

Before going any further, we need to remember that the Earth’s mantle lies over 2,900 km beneath the Earth’s crust, as far as the Earth’s core. It is usually divided into two parts: the upper and the lower mantle. There is a transition zone between these two layers, about 700 km deep.

It is believed, after analyzing seismic data, that minerals with sponge-like characteristics exist in the mantle and hold water. Unfortunately, they are too deep to be reached with modern drilling equipment.

The rock studied by the Canadian researchers had been brought to the Earth’s surface by a volcanic eruption and then fished out of a Brazilian riverbed in 2009. After years of study, it was eventually recognized as ‘ringwoodite’ that forms with olivine, a common mineral in the Earth. Between 410 and 520 km, olivine becomes wadsleyite; then, between 520 and 660 km, as the pressure increases, it becomes ringwoodite.

What was remarkable was that on analysis, the rock showed that roughly 1.5 % of its weight was water, which was locked into the mineral at the time of formation. This water could only exist if it were abundant in the Earth’s mantle, where the mineral currently is. The total volume of the transition zone indicates that the proportionate concentration of ringwoodite, and subsequently that of that water, would be huge.

However, only one sample of ringwoodite is too small to be analysed sufficiently by scientists. There is need for more such samples, though their depth would make them impossible to extract.

Knowing where the water is concentrated and to what degree can help in the understanding of plate tectonics. This water is believed to lubricate the plates, making movements easier and facilitating earthquakes and tsunamis. Moreover, when water is infused into magma, it makes the resultant volcanic eruptions more violent.

Olivine-blog

Echantillons d’olivine  (Photo:  C. Grandpey)

Iles Galapagos (Equateur): Une découverte surprenante // An unexpected discovery

drapeau francaisUne étude récente parue le 19 janvier dans la revue Nature Geoscience nous apprend que le panache volcanique qui a donné naissance aux Iles Galapagos ne se situe pas là où les scientifiques espéraient le trouver.

Comme Hawaii sur la plaque Pacifique, les Galapagos se trouvent au-dessus d’un point chaud sur la plaque de Nazca, loin de toute limite entre les plaques tectoniques. En tant que tel, leur activité dépend d’un panache issu du manteau terrestre.

Jusqu’à présent, les modèles informatiques laissaient supposer que les plaques tectoniques, en se déplaçant au-dessus du manteau, entraînaient avec elles les panaches mantelliques, un peu comme le vent entraîne la fumée d’une cheminée.

L’équipe scientifique de l’Université d’Oregon qui a effectué l’étude a installé un réseau de capteurs à la surface de la Terre et les chercheurs ont enregistré les séismes à distance. En cartographiant la propagation des ondes sismiques sous les Galapagos, ils ont produit des modèles en 3 dimensions de l’intérieur de la terre. Ces modèles montrent clairement l’emplacement et le déplacement du panache mantellique.

Les scientifiques s’attendaient à ce que le panache se situe à l’ouest de l’Ile Fernandina. Au lieu de cela, il se trouve à 250 km plus bas et à environ 150 km au SE de cette île.

De plus, le panache aurait dû s’incurver d’ouest en est, en respectant le mouvement de la plaque de Nazca, comme l’avaient suggéré les modèles informatiques. Au lieu de cela, le panache s’incurve du sud au nord, en direction d’une dorsale médio-océanique, perpendiculairement au mouvement de la plaque.

La direction empruntée par le panache fait se poser un tas de questions car elle va à l’encontre de ce que l’on croyait savoir sur l’interaction entre la lithosphère et l’asthénosphère. Les scientifiques pensent qu’il est possible qu’un courant profond à l’intérieur de l’asthénosphère oriente le panache vers la dorsale médio-atlantique, alors que les modèles informatiques suggéraient plutôt un courant de surface à la base de la lithosphère.

Cette étude nous confirme que les panaches mantelliques ne se comportent pas selon un principe simple, en particulier lorsqu’ils rencontrent des situations de courants complexes dans la partie supérieure du manteau, sous les plaques tectoniques.

Source : Livescience.com.

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drapeau anglaisA study released on January 19th in the journal Nature Geoscience tells us that the volcanic plume that gave birth to the Galapagos Islands is not where scientists thought it was.

Like Hawaii on the Pacific plate, the Galapagos Islands lie above a hotspot on the Nazca plate, far from the boundaries of tectonic plates. As such, their activity depends on a plume that comes up from the Earth’s mantle.

Up to now, models suggested that as the tectonic plates move over the mantle, they should « blow » mantle plumes, similar to the way the wind blows smoke from a smokestack.

The scientific team from the University of Oregon that performed the study set up a network of sensors on the Earth’s surface and listened for distant earthquakes. By mapping the way the seismic waves from those quakes moved through the ground below the Galapagos, the model generated 3D pictures of the Earth’s interior that showed the plume’s location and movement. The scientists expected the plume to be west of Fernandina Island, but instead, it was 250 km down and about 150 km southeast of this island.

The plume should have been bending west to east, following the motion of the Nazca plate, according to the models. But instead, it was bending south to north toward a mid-ocean ridge, perpendicular to the movement of the plate.

The direction in which the plume is moving poses more of a mystery, shaking up current notions of how the lithosphere interacts with the asthenosphere. The researchers believe that a deep flow in the asthenosphere may be carrying the plume toward the mid-ocean ridge, rather than a shallow flow along the base of the lithosphere, as models suggest.

The study offers further evidence that plumes do not always behave in simple ways, particularly when they encounter complexities in flow in the shallow mantle beneath plates.

Source: Livescience.com

Galapagos-blog

Source: Wikipedia