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Les mouvements du manteau terrestre // The movements of the Earth’s mantle

drapeau-francaisDes chercheurs de l’Université de Cambridge ont compilé la première série d’observations du mouvement du manteau terrestre à l’échelle de la planète et constaté qu’il se déplace beaucoup plus rapidement que prévu. L’équipe scientifique a pris en compte plus de 2000 mesures effectuées dans les océans du globe ; les chercheurs ont ainsi pu observer le comportement chaotique du manteau qui fait osciller la surface de la Terre vers le haut et vers le bas. Ces mouvements ont eu une énorme influence sur la morphologie de la Terre telle que nous la voyons aujourd’hui. En effet, c’est la circulation au sein du manteau qui donne naissance aux montagnes, au volcanisme et à l’activité sismique dans des endroits qui se trouvent au milieu des plaques tectoniques, comme à Hawaii.
Les chercheurs ont constaté que les mouvements ondulatoires du manteau se produisent à un rythme beaucoup plus rapide qu’on l’avait imaginé auparavant. Les résultats, présentés dans la revue Nature Geoscience, ont des ramifications dans de nombreuses disciplines, y compris l’étude de la circulation océanique et les changements climatiques du passé.
À l’échelle de temps géologique, l’équipe scientifique a remarqué que sur une période de un million d’années, le mouvement du manteau peut faire se déplacer de plusieurs centaines de mètres la surface de la Terre vers le haut et vers le bas. Outre la géologie, le mouvement du manteau terrestre présente un intérêt certain pour les secteurs du pétrole et du gaz, étant donné que ces mouvements affectent également les déplacements des sédiments et donc la production des hydrocarbures.
Les mouvements du manteau agissent également sur le déplacement des plaques tectoniques car les courants de convection poussent la surface vers le haut ou vers le bas. Ainsi, bien que les îles d’Hawaii se trouvent au milieu d’une plaque tectonique, leur activité volcanique est due non pas au mouvement des plaques, mais plutôt au déplacement vers le haut du manteau qui se trouve en dessous.
L’inventaire des 2 000 points d’observations a été déterminé grâce à l’analyse des relevés sismiques effectués dans tous les océans. En examinant les variations de profondeur du plancher océanique, les chercheurs ont été en mesure de construire, à l’échelle mondiale, une base de données des mouvements du manteau. Ils ont constaté que la convection du manteau s’effectue d’une manière chaotique, avec des échelles de longueur de l’ordre de 1000 km, au lieu des 10 000 km initialement prévus.
Les résultats de l’étude auront des applications dans de nombreux secteurs tel que la cartographie de la circulation des océans qui sont affectés par la rapidité avec laquelle le plancher océanique se déplace vers le haut et vers le bas en entravant le passage des courants. Si l’on considère que la surface se déplace beaucoup plus vite que nous le pensions précédemment, cela pourrait également affecter des domaines comme la stabilité des calottes glaciaires et nous aider à mieux comprendre les changements climatiques du passé.
Source: Université de Cambridge

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drapeau-anglaisResearchers from the University of Cambridge have compiled the first global set of observations of the movement of the Earth’s mantle and found that it is moving much faster than has been predicted. The scientific team used more than 2,000 measurements taken from the world’s oceans in order to observe the chaotic nature of mantle flow, which forces the surface above it up and down. These movements have a huge influence on the way that the Earth looks today. Indeed, the circulation within the mantle causes the formation of mountains, volcanism and other seismic activity in locations that lie in the middle of tectonic plates, such as at Hawaii.

The researchers found that the wave-like movements of the mantle are occurring at a rate much faster than had been previously predicted. The results, reported in the journal Nature Geoscience, have ramifications across many disciplines including the study of oceanic circulation and past climate change.

At a geological timescale, the team noticed that over a period of a million years, the movement of the mantle can cause the surface to move up and down by hundreds of metres. Besides geology, the movement of the Earth’s mantle is of interest to the oil and gas sector, since these motions also affect the rate at which sediment is shifted around and hydrocarbons are generated.

The flow of the mantle also acts to the tectonic plate motions, as convection currents inside the mantle push the surface up or down. For example, although the Hawaiian Islands lie in the middle of a tectonic plate, their volcanic activity is due not to the movement of the plates, but instead to the upward flow of the mantle beneath.

The inventory of more than 2 000 spot observations was determined by analyzing seismic surveys of the world’s oceans. By examining variations in the depth of the ocean floor, the researchers were able to construct a global database of the mantle’s movements. They found that the mantle convects in a chaotic fashion, but with length scales on the order of 1 000 km, instead of the 10 000 km that had been predicted.

The results of the study will have wider reaching implications, such as how we map the circulation of the world’s oceans which are affected by how quickly the sea floor is moving up and down and blocking the path of water currents. Considering that the surface is moving much faster than we had previously thought, it could also affect things like the stability of the ice caps and help us to understand past climate change.

Source:  University of Cambridge.

Manteau et convection

Source: Oregon State University.

Une nouvelle approche de l’intérieur de la Terre // A new approach to the Earth’s interior

drapeau-francaisOn sait depuis pas mal de temps que les cristaux de pérovskite silicatée sont l’un des composants majeurs des roches du manteau inférieur de la Terre. Mais ce minéral n’avait jamais été observé à l’état naturel. Il a fallu attendre 2014 pour qu’une telle observation soit effectuée. On lui a alors donné le nom de bridgmanite pour honorer la mémoire de Percy Williams Bridgman, un des pionniers de la pétrologie des roches sous hautes pressions.
Les observations sismiques de l’intérieur de notre planète ont révélé trois structures distinctes marquant la limite entre son noyau métallique et le manteau silicaté. Ces structures comprennent des restes de plaques subductées de la surface de la Terre, des zones de propagation ultra faible des ondes sismiques riches en fer, et de grandes zones denses de composition et minéralogie inconnues. Selon le California Institute of Technology (Caltech), on dispose aujourd’hui de nouvelles preuves montrant l’origine de ces structures.
La couche en question se trouve à une profondeur de 2 900 km et sa composition est très importante pour comprendre l’évolution et la dynamique de la Terre. Une équipe scientifique a effectué une étude qui indique que la bridgmanite, le minéral le plus répandu sur notre planète, pourrait occuper 20% de la zone limite entre le noyau et le manteau. Les résultats de ce travail de recherche pourraient expliquer les observations sismiques précédentes et les résultats de modélisation géodynamique.
Tout en occupant environ 20% de la surface de la limite entre le noyau et le manteau, la bridgemanite remonte jusqu’à une profondeur d’environ 1 500 km. Cette découverte représente un progrès scientifique car bien que la bridgmanite soit le minéral le plus abondant sur Terre, ce n’est que récemment que les chercheurs ont eu la possibilité de mesurer avec précision des échantillons dans un environnement similaire à celui que connaissent les matériaux à l’intérieur de la Terre.
L’étude a été réalisée par l’Advanced Photon Source du Laboratoire National d’Argonne dans l’Illinois avec des mesures précises aux rayons X et deux faisceaux laser différents (voir image ci-dessous) sur des échantillons de bridgmanite synthétique comprimés par des cellules à enclumes de diamant à plus de 1 million de fois la pression atmosphérique de la Terre et chauffés à des milliers de degrés. Les données recueillies ont permis aux scientifiques de comparer les résultats d’observations sismiques de la frontière noyau-manteau.
Les nouvelles mesures de la bridgmanite dans des conditions de manteau profond montrent que ces régions de l’intérieur de la Terre sont très probablement denses et riches en fer, ce qui leur a permis de rester stables au cours des temps géologiques.
Les chercheurs ont également mesuré le comportement du fer dans la structure cristalline de la bridgmanite en utilisant une technique de spectroscopie Mössbauer. Les résultats ont montré que la bridgmanite ferrifère est stable dans des conditions de températures extrêmes (plus de 2 000°C) et des pressions jusqu’à 130 gigapascals (GPa).
Cette étude est la première à combiner des mesures de densité et de rigidité haute précision avec la spectroscopie Mössbauer, ce qui a permis d’identifier le comportement du fer au sein de la bridgmanite. Les résultats montrent également qu’il est impossible que ces régions contiennent une grande quantité d’éléments radiogéniques.
Au vu des derniers résultats, il semble que le reste du manteau inférieur ne soit pas entièrement composé de bridgmanite, comme le pensait auparavant ; d’autres minéraux sont forcément présents
Il reste encore beaucoup de travail à faire, comme l’identification de la dynamique des plaques pendant la subduction, phénomène qui joue probablement un rôle en fournissant une force extérieure pour façonner les grandes régions riches en bridgmanite.
Source : Caltech : http://www.caltech.edu/

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drapeau-anglaisIt had been known for quite a long time that silicate perovskite crystals were a major component of the lower mantle rocks. But this mineral had never been observed in nature. It was not until 2014 that such an observation was made. It was then given the name bridgmanite to honor the memory of Percy Williams Bridgman, a pioneer of petrology rocks under high pressures.
Seismic observations of our planet’s interior have revealed three distinct structures, marking the boundary between its metallic core and silicate mantle. The structures include remnants of subducted plates from the Earth’s surface, ultralow velocity zones rich in iron and large dense provinces of unknown composition and mineralogy. New evidence has emerged showing the origin of these features, California Institute of Technology (Caltech) recently announced.
The layer in question is 2 900 km (1 802 miles) deep and its composition is highly important for understanding the evolution and dynamics of our Earth. A team of scientists has conducted a research which suggests that bridgmanite, the most common mineral on our planet, might occupy 20% of the boundary. Results of the research could explain previous seismic observations and geodynamical modeling results.
Beside occupying about 20 percent of the core-mantle boundary surface bridgmanite and rise up to a depth of about 1 500 km. This finding represents a breakthrough because although bridgmanite is the earth’s most abundant mineral, the researchers only recently have had the ability to precisely measure samples of it in an environment similar to what they think the materials are experiencing inside the earth.
The study has been conducted by taking precise X-ray measurements, with two different beamlines at the Advanced Photon Source of Argonne National Laboratory in Illinois, of synthetic bridgmanite samples compressed by diamond anvil cells (see image below) to over 1 million times the earth’s atmospheric pressure and heated to thousands of degrees. Gathered data has allowed the scientists to compare the results to seismic observations of the core-mantle boundary.
The new measurements of bridgmanite at deep mantle conditions allowed to show that these provinces are very likely to be dense and iron-rich, helping them to remain stable over geologic time.
Researchers have also measured the behavior of iron in the crystal structure of bridgmanite, by using a Mössbauer spectroscopy technique. Results showed the iron-bearing bridgmanite is stable in conditions of extreme temperatures over 2 000 °C (3 632 °F) and pressures up to 130 gigapascals (GPa).
This is the first study to combine high-accuracy density and stiffness measurements with Mössbauer spectroscopy, allowing to pinpoint iron’s behaviour within bridgmanite. The results also show that these provinces cannot possibly contain a large complement of radiogenic elements.
According to the newest results, it seems the rest of the lower mantle is not entirely composed of bridgmanite, as previously thought, and other phases, or minerals, need to be present as well.
There is still a lot of work to be done, such as identifying the dynamics of subducting slabs, which probably plays a role in providing an external force to shape these large bridgmanite provinces.
Source: Caltech: http://www.caltech.edu/

bridgmanite copie

Cette image montre un échantillon de bridgmanite porté à haute température par laser entre deux cellules à enclumes de diamant. Cette manipulation permet aux chercheurs de soumettre l’échantillon à des pressions supérieures à un million de fois l’atmosphère terrestre avec des températures de plusieurs milliers de degrés Celsius.

Santorin (Grèce) : Du CO2 comme dans un cocktail // Santorini (Greece) : CO2 like in a cocktail

drapeau francaisLe site de la deuxième plus grande éruption volcanique de l’histoire humaine, au large de Santorin en Grèce, recèle aujourd’hui de superbes poches d’eau opalescente qui ont été récemment découvertes à une profondeur de 250 mètres. Ces poches d’eau, reliées les unes aux autres, contiennent des concentrations élevées de dioxyde de carbone. Elles permettront peut-être un jour d’expliquer les phénomène liés à l’accumulation du carbone dans les profondeurs des océans et de mieux surveiller le volcan de Santorin qui reste potentiellement actif.
Les poches d’eau varient en taille de 1 à 5 mètres de diamètre. Les scientifiques européens qui les ont observées pensent qu’elles sont éphémères, apparaissant et disparaissant comme une mare d’eau de pluie dans le désert. Lors d’une mission dans la région en juillet 2012, ils ont utilisé des véhicules d’exploration sous-marine de dernière génération pour localiser et analyser ces Kallisti Limnes, « les plus beaux lacs » en grec ancien. La crise volcano-sismique de 2011 avait déjà conduit les chercheurs à lancer des investigations sur un site d’activité hydrothermale bien connu au sein de la caldeira de Santorin.

Au cours de la reconnaissance préliminaire d’une grande faille du plancher océanique, un véhicule sous-marin autonome (AUV) a identifié des couches d’eau avec des propriétés chimiques inhabituelles. Suite à cette reconnaissance, les chercheurs ont utilisé Thétis, un véhicule avec des hommes à son bord. L’équipage du submersible a utilisé des capteurs chimiques pour observer les poches d’eau opalescente situées dans les dépressions au pied de la paroi de la caldeira (voir la carte ci-dessous). Les chercheurs ont ensuite envoyé un petit véhicule télécommandé (ROV) afin d’échantillonner les fluides hydrothermaux à l’intérieur des poches d’eau.
Le plus souvent, de telles poches d’eau au sein de l’océan sont des concentrations de saumure où le sel dissous en provenance des formations géologiques sous le plancher océanique crée une densité supplémentaire qui sépare la poche d’eau salée de l’eau de mer environnante. Dans le cas de Santorin, la forte densité des poches d’eau n’est probablement pas provoquée par le sel, mais par le CO2.
Il y a de  fortes chances pour que ce CO2 soit généré par l’activité sismique dans la région, avec la subduction de la plaque africaine sous la plaque eurasienne. Au cours de la subduction, le CO2 peut être libéré lors du dégazage du magma, ou à partir de matières sédimentaires qui subissent des modifications en étant soumises à des pressions et des températures très élevées.
Les chercheurs ont observé que les poches d’eau de Santorin ont un pH très faible, ce qui les rend très acides, et donc dépourvues d’organismes de calcification. En revanche, ils pensent que des organismes riches en silice pourraient être la source de l’opale dans les fluides.
Jusqu’à la découverte de ces poches d’eau riches en CO2, on pensait que lorsque le CO2 est émis à l’intérieur de l’océan, il se disperse dans l’eau environnante. A l’inverse, dans cette partie de Santorin, les deux fluides restent séparés et celui qui a la plus forte densité en CO2 reste au fond, un peu comme dans un cocktail, et forme ces poches d’eau opalescente.
Les capteurs de température ont révélé que celle des Limnes Kallisti était de 5 ° C supérieure à celle des eaux environnantes. Cette chaleur est probablement le résultat de la circulation de fluides hydrothermaux dans la croûte et au-dessus d’une source de chaleur plus profonde, comme une chambre magmatique. Les fluides à l’intérieur des poches d’eau répondent également aux variations de pression, comme les marées, ce qui peut donner des informations sur la structure de perméabilité du sous-plancher océanique.

Les variations de température et les modifications chimiques de ces poches d’eau peuvent venir en complément d’autres techniques de surveillance de l’évolution de l’activité volcanique dans la région.
Adapté d’un article de la Woods Hole Oceanographic Institution.
http://www.whoi.edu/news-release/co2-pools

Voici une petite vidéo montrant ces poches d’eau de mer riches en CO2:

http://mex1.whoi.edu:8080/http2/WHOI_CMS/Media_Relations/114953_CO2Pools.webm

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drapeau anglaisThe location of the second largest volcanic eruption in human history, off Greece’s Santorini, are the site of newly discovered opalescent pools forming at a depth of 250 metres. The interconnected series of pools contain high concentrations of carbon dioxide (CO2) and may hold answers to questions related to deep sea carbon storage as well as provide a means of monitoring the Santorini volcano for future eruptions.

The pools range in size from 1 to 5 metres in diameter, and the European scientists who observed them believe they are ephemeral, appearing and disappearing like a rain pool in the desert. Working in the region in July 2012, they used a series of sophisticated underwater exploration vehicles to locate and characterize the pools, which they call the Kallisti Limnes, from ancient Greek for “most beautiful lakes.” A prior volcanic crisis in 2011 had led the researchers to initiate their investigation at a site of known hydrothermal activity within the Santorini caldera.

During a preliminary reconnaissance of a large seafloor fault, an autonomous underwater vehicle (AUV) identified subsea layers of water with unusual chemical properties.

Following the AUV survey, the researchers then deployed Thetis, a human occupied vehicle. The submersible’s crew used robotic onboard chemical sensors to observe the pools which are located within depressions of the caldera wall (see map below). Finally, the researchers sent a smaller remotely operated vehicle (ROV), to sample the pools’ hydrothermal fluids.

Usually, such pools within the ocean are brine pools where dissolved salt released from geologic formations below the seafloor creates the extra density and separates the brine pool from the surrounding seawater. In the case of Santorini, the pools’ increased density isn’t driven by salt, but probably by CO2 itself.

This CO2 is probably generated by the seismic activity in the region, caused by the subduction of the African tectonic plate underneath the Eurasian plate. During subduction, CO2 can be released by magma degassing, or from sedimentary materials which undergo alteration while being subjected to enormous pressure and temperature.

The researchers determined that the pools have a very low pH, making them quite acidic, and therefore, devoid of calcifying organisms. But they believe silica-based organisms could be the source of the opal in the pool fluids.

Until the discovery of these CO2-dense pools, the assumption has been that when CO2 is released into the ocean, it disperses into the surrounding water. But in that part of Santorini, the two fluids actually remain separate with the denser CO2 water sinking to form the pool.

Temperature sensors revealed that the Kallisti Limnes were 5°C above that of surrounding waters. This heat is likely the result of hydrothermal fluid circulation within the crust and above a deeper heat source, such as a magma chamber. The pool fluids also respond to variations in pressure, such as tides, and this may inform of the permeability structure of the sub-seafloor.  Changes in the pools’ temperature and chemical signals may thus complement other monitoring techniques as useful indicators of increased or decreased volcanism.

Adapted from an article of the Woods Hole Oceanographic Institution.

http://www.whoi.edu/news-release/co2-pools

Here is a short video showing these CO2-rich pools:

http://mex1.whoi.edu:8080/http2/WHOI_CMS/Media_Relations/114953_CO2Pools.webm

Santorin 03

Source:  WHOI.

Les surprises du Bassin de Lau (Tonga / Fidji)

drapeau francaisLe Bassin de Lau, qui se trouve entre les Tonga et les Fidji, a été créé par la collision de la plaque Pacifique avec la plaque australienne. La plaque Pacifique, plus vieille, donc plus froide et plus dense, a plongé sous la plaque australienne et s’est enfoncée dans les profondeurs le long de la fosse des Tonga. L’eau libérée par la plaque humide a abaissé le point de fusion de la roche au-dessus, provoquant la montée du magma et des éruptions qui ont formé l’arc volcanique Tonga-Kermadec.

Tonga-Kermadec-Arc

Source: Wikipedia.

Il y a 4 à 6 millions d’années, la plaque Pacifique a commencé à s’éloigner de la plaque australienne, entraînant avec elle une partie du manteau qui se trouvait en dessous. La marge de la plaque australienne s’est étirée en déchirant la dorsale et en créant un bassin dont le plancher s’est fracturé à son tour avec le temps. Le magma est remonté par ces fractures, ce qui a créé de nouveaux centres d’expansion.

La zone de subduction des Tonga est célèbre en sismologie, car deux tiers des séismes profonds de notre planète se produisent dans cette région où la subduction est plus rapide que partout ailleurs dans le monde. Dans la partie nord,  la plaque s’enfonce à une vitesse d’environ 24 centimètres par an, soit près d’un mètre tous les quatre ans ! C’est quatre fois plus vite que la faille de San Andreas.
Dans le numéro de Février de la revue Nature, une équipe de chercheurs de l’Université de Washington à St. Louis, a publié une image sismique tridimensionnelle du manteau sous le Bassin de Lau dans le Pacifique Sud qui montre une étrange  anomalie. L’image s’appuie sur 200 séismes enregistrés par 50 sismographes installés au fond de l’océan dans le Bassin de Lau en 2009 et 2010 et 17 sismographes installés sur les îles Tonga et Fidji.
Le Bassin de Lau est un endroit idéal pour étudier le rôle de l’eau dans les processus volcanique et tectonique. Comme le Bassin est en phase d’élargissement, il a beaucoup de centres d’expansion par lesquels le magma monte vers la surface. Comme il est en forme de V, ces centres se situent à des distances variables de la fosse des Tonga, là où l’eau est injectée copieusement dans l’intérieur de la Terre.
Les scientifiques savaient que la composition chimique du magma émis lors des éruptions dans ces centres d’expansion varie avec la distance par rapport à la fosse. Ceux au nord, vers l’ouverture du V, produisent un magma plus sec que ceux du sud, à proximité de la pointe du V, où le magma contient plus d’eau et d’éléments chimiques liés à l’eau. Comme l’eau abaisse la température de fusion de la roche, les centres d’expansion au nord produisent également moins de magma que ceux au sud.
Avant d’élaborer les images à partir de leurs données sismiques, les scientifiques s’attendaient à ce que la situation dans le manteau corresponde à celle en surface. En particulier, ils pensaient davantage trouver la roche en fusion vers le sud, là où la teneur en eau dans le manteau est la plus forte. Au lieu de cela, les images sismiques ont révélé moins de magma en fusion dans le sud que dans le nord.
Après un long débat, ils sont arrivés à la conclusion que l’eau augmente la fusion mais rend le matériau moins visqueux, ce qui accélère sa remontée vers la surface, un peu comme du miel qui coule plus vite quand on y ajoute de l’eau.
Cette découverte a permis aux scientifiques de faire un pas de plus dans la compréhension du cycle de l’eau qui affecte presque tous les processus sur notre planète, et pas seulement les nuages et les rivières à sa surface. Elle joue également un rôle important dans les processus qui ont lieu dans le silence et l’obscurité des profondeurs de la Terre.
Source: Université de Washington à St. Louis

Lau-Basin-2 Une image sismique d’une partie du Bassin de Lau à une profondeur de 50 kilomètres montre comment le magma s’accumule au nord sous les zones qui ne sont pas affectées par le rift (rouge foncé) et n’offrent que très peu de passage au magma (jaune pâle) le long de l’extrémité sud du centre d’expansion oriental du Bassin de Lau, même si cette région est fortement volcanique (Source: Université de Washington).

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drapeau anglaisThe Lau Basin, which lies between the island archipelagos of Tonga and Fiji, was created by the collision of the Pacific plate with the Australian plate. The older, thus colder and denser, Pacific plate plunged under the Australian plate and sank into the depths along the Tonga Trench. Water given off by the wet slab lowered the melting point of the rock above, causing magma to erupt and form a volcanic arc, called the Tonga-Kermadec ridge.

About 4 to 6 million years ago, the Pacific slab started to pull away from the Australian slab, dragging material from the mantle beneath it. The Australian plate’s margin stretched, splitting the ridge, creating the basin and, over time, rifting the floor of the basin. Magma upwelling through these rifts created new spreading centers.

The Tonga subduction zone is famous in seismology  because two-thirds of the world’s deep earthquakes happen there and subduction is faster there than anywhere else in the world. In the northern part of this area the plate is sinking at about 24 centimetres per year, or nearly a metre every four years. That’s four times faster than the San Andreas fault is moving.

In the February issue of Nature, a team of scientists of Washington University in St. Louis, published a three-dimensional seismic image of the mantle beneath the Lau Basin in the South Pacific that had an intriguing anomaly. It is based on the images of 200 earthquakes picked up by 50 ocean-bottom seismographs deployed in the Lau Basin in 2009 and 2010 and 17 seismographs installed on the islands of Tonga and Fiji.

The Lau basin is an ideal location for studying the role of water in volcanic and tectonic processes. Because the basin is widening, it has many spreading centres through which magma rises to the surface. Because it is shaped like a V, these centres lie at varying distances from the Tonga Trench, where water is copiously injected into the Earth’s interior.

The scientists knew that the chemistry of the magma erupted through the spreading centers varies with their distance from the trench. Those to the north, toward the opening of the V, erupt a drier magma than those to the south, near the point of the V, where the magma has more water and chemical elements associated with water. Because water lowers the melting temperature of rock, spreading centres to the north also produce less magma than those to the south.

Before they constructed images from their seismic data, the scientists expected the pattern in the mantle to match that on the surface. In particular they expected to find molten rock pooled to the south, where the water content in the mantle is highest. Instead the seismic images indicated less melt in the south than in the north.

After considerable debate, they suggested water increases melting but makes the melt less viscous, speeding its transport to the surface, a bit like mixing water with honey makes it flow quicker.

Source: Washington University in St. Louis.