Une couche de fusion partielle vers 350 km de profondeur révélée par la sismologie

La géodynamique interne se précise. Grâce à l'examen de plusieurs dizaines de milliers de donnéesréseau français GEOSCOPE cofinancé par l'INSU, une équipe de sismologues de l'université d'Utrecht et de deux unités mixtes du CNRS-INSU [1] vient de mettre en évidence le caractère global d'une couche de fusion partielle située vers 350 km de profondeur. L'étude vient d'être publiée dans la revue Nature Geoscience du 26/09/2010. sismologiques enregistrées aux stations des réseaux mondiaux, dont le


C'est essentiellement à la sismologie que l'on doit la connaissance des discontinuités à l'intérieur du globe, liées à des modifications de compositions minéralogiques qui permettent d'en distinguer les grandes structures: croûte, manteau, noyau liquide, graine. A ces grandes structures s'ajoute ce que l'on appelle la zone de transition entre 410 et 660 km de profondeur, séparant le manteau supérieur du manteau inférieur.

Le modèle géodynamique du filtre en eau:

Le modèle géodynamique dit du "filtre en eau" de la zone de transition suggère l'existence d'une couche de fusion partielle située juste au-dessus de la discontinuité sismique qui marque le sommet de la zone de transition vers 410 kilomètres de profondeur. L'injection de plaques froides au niveau des zones de subductions serait compensée par un écoulement lent (quelques millimètres par an) des roches du manteau selon un mouvement d'ensemble vertical ascendant. Ce mouvement serait communiqué aux minéraux présents dans la zone de transition, notamment à la wadsleyite (polymorphe compacte d'ultra haute pression de l'olivine, silicate de fer et de magnésium) qui libérerait la plus grande partie de son eau lorsqu'elle se transformerait en olivine vers 410 km de profondeur.

L'eau ainsi évacuée abaisserait la température de fusion des roches et permettrait le développement d'une zone de fusion partielle au-dessus de la discontinuité à 410 km. Cette couche de fusion partielle agirait alors comme un filtre géochimique, en piégeant les éléments dits ''incompatibles'', qui se concentreraient dans la phase liquide. La
matière qui poursuivrait son lent écoulement vertical ascendant au-dessus de la couche de fusion partielle serait donc appauvrie en ces éléments. Elle serait à l'origine des roches échantillonnées au niveau des rides océaniques.

Du fait de leur vitesse de montée beaucoup plus élevée (de 1 à 100 cm/an), les panaches mantelliques n'auraient pas le temps de subir le même lessivage durant leur traversée de la zone de transition. Il n'y aurait donc pas de fusion partielle au-dessus de la discontinuité à 410 km à proximité des panaches, ce qui expliquerait que l'appauvrissement en éléments incompatibles n'est pas observé pour les basaltes des îles océaniques. Plusieurs résultats expérimentaux suggèrent que le magma ainsi généré resterait piégé au-dessus de cette discontinuité jusqu'à ce qu'une plaque plongeante l'entraîne à nouveau dans le manteau profond.

Les observations de la sismologie:

La présence de fusion partielle réduit considérablement la vitesse des ondes sismiques, de sorte que les sismologues s'attendent à trouver une couche à faible vitesse là où il y a fusion partielle. Jusqu'à présent, quelques études suggéraient localement l'existence d'une telle couche vers 350 kilomètres de profondeur. Cette couche à faible vitesse a cependant toujours été observée à l'échelle régionale ou associée à un contexte tectonique bien particulier: la déshydratation de croûte océanique subductée ou l'association entre volcanisme Cénozoique (depuis 65 millions d'années) et vieux boucliers Précambriens.

Les auteurs de cette étude aborde pour la première fois l'existence globale de cette couche à faible vitesse à partir d'une couverture de 152 stations distribuées à la surface de la Terre. Il en ressort que cette couche est observée un peu partout dans le
monde (Fig. 1, 2), y compris à proximité des panaches mantelliques, et qu'elle n'est pas associée à un contexte tectonique particulier. Elle n'est en apparence pas continue, on peut l'observer ou pas à des stations distantes de quelques centaines de kilomètres, et lorsqu'on l'observe, son épaisseur varie entre 30 et 100 kilomètres sur des distances de quelques centaines de kilomètres (Fig. 2). La méthode utilisée ne permet pas de détecter une couche dont l'épaisseur est plus fine que 30 kilomètres. Il est donc possible que les données sismologiques ne détectent que les parties les plus épaisses d'une couche plus continue ayant de fortes variations d'épaisseurs.


Ces observations d'une couche à faible vitesse présente un peu partout dans le monde et montrant de fortes variations d'épaisseurs devront être expliquées. Le modèle géodynamique du filtre en eau de la zone de transition ne prévoit par exemple pas son existence à proximité des panaches mantelliques. Des travaux réalisés au Laboratoire de Sciences de la Terre de l'École Normale Supérieure de Lyon suggèrent que l'effet de la gravité qui, du fait du poids élevé du magma, aurait tendance à favoriser la formation d'une fine couche de roches fondues, pourrait être contrebalancé par les forces de capillarité présentes aux joints des grains.
Source: CNRS / INSU Illustrations: © Tauzin et al. Nature Géoscience 2010

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