Dans un article récemment publié dans Lettres des sciences de la Terre et des planètes , chercheurs du Centre de Recherche en Géodynamique, L'université Ehime et l'université de Lille associent modélisation numérique du glissement de dislocation et résultats d'expériences de diffusion pour revisiter la rhéologie de la wadsleyite, ringwoodite et grenat majorite sous des taux de déformation géologique à travers la zone de transition du manteau terrestre sur la base d'une modélisation théorique de la plasticité.

Bien qu'il soit composé de roches solides, le manteau terrestre, qui s'étend jusqu'à une profondeur de ~2890 km sous la croûte, subit un écoulement convectif en évacuant la chaleur de l'intérieur de la Terre. Ce processus implique un transfert de masse par subduction de plaques tectoniques froides depuis et l'ascension de panaches chauds vers la surface de la Terre, responsable de nombreuses caractéristiques géologiques à grande échelle, comme les tremblements de terre et le volcanisme. Grâce à une combinaison d'études sismologiques et de physique minérale antérieures, il est bien connu que le manteau terrestre est divisé (minéralogiquement) en deux grands régimes :le manteau supérieur et le manteau inférieur, séparés par la "zone de transition, ' une couche limite entre ~410 et ~660 km de profondeur. Cette zone de transition influence l'étendue de la convection du manteau entier en contrôlant le transfert de masse entre le manteau supérieur et inférieur. Des études de tomographie sismique (imagerie par tomodensitométrie de l'intérieur de la Terre à l'aide d'ondes sismiques) ont précédemment révélé que si certaines dalles pénètrent à travers la zone de transition, d'autres semblent stagner soit à l'intérieur, soit juste en dessous. La raison n'est pas claire et la dynamique du manteau terrestre à travers la zone de transition reste mal limitée en raison du manque de compréhension de ses propriétés mécaniques.

Ces propriétés mécaniques dépendent de la capacité des minéraux à subir une déformation plastique lente en réponse à une faible contrainte mécanique, appelé 'fluage, ' généralement décrit par un paramètre appelé « viscosité ». La dynamique du manteau supérieur repose sur la déformation plastique de son constituant principal, mg 2 SiO 4 olivine. Les premiers ~300 km du manteau supérieur sont caractérisés par une forte dépendance directionnelle de la vitesse des ondes sismiques, connue sous le nom d'« anisotropie sismique ». Par conséquent, il est généralement admis que le "fluage de dislocation" - un mécanisme de déformation induisant la rotation du réseau et les orientations cristallographiques préférées (CPO) dans les minéraux élastiquement anisotropes comme l'olivine - contribue à la déformation globale du manteau supérieur. Le fluage des dislocations est un mécanisme de déformation intracristalline responsable du transport du cisaillement cristallin, médiée par des défauts linéaires appelés « dislocations ». Il s'agit d'un mécanisme de déformation composite qui peut impliquer à la fois le glissement de dislocations le long de certaines directions et plans cristallins spécifiques et une montée par diffusion hors de leurs plans de glissement. En effet, les récentes simulations numériques de Boioli et al. (2015) ont montré que la déformation de Mg 2 SiO 4 cristaux d'olivine est logé par le fluage de dislocation de type Weertman dans des conditions pertinentes du manteau supérieur, où la montée des dislocations permet la récupération des jonctions de dislocations, permettant à la déformation plastique d'être produite efficacement par glissement de dislocation.

Entrer dans la zone de transition du manteau au-delà de ~410 km de profondeur avec une augmentation de la pression (P) et de la température (T), l'olivine se transforme d'abord en sa wadsleyite polymorphe à haute teneur en phosphore et à ~520 km en ringwoodite. Il reste difficile de savoir si les processus de déformation de ces structures plus compactes des polymorphes à haute teneur en P de l'olivine sont similaires à ceux de l'olivine (Ritterbex et al. 2015; Ritterbex et al. 2016). Pour répondre à cette question, des chercheurs du groupe plasticité de l'Université de Lille et du Centre de recherche en géodynamique de l'Université d'Ehime ont combiné des simulations numériques de mobilités glissantes de dislocations activées thermiquement avec des résultats de données expérimentales de diffusion, et démontrer que, contrairement à l'olivine dans les conditions du manteau supérieur, les vitesses de montée des dislocations dépassent celles du glissement dans les polymorphes à P élevé de l'olivine, induisant une transition du mécanisme de déformation dans le régime de fluage de dislocation du fluage de Weertman au fluage de montée pur à des contraintes géologiques pertinentes. Basé sur une modélisation de la plasticité et contraint par des données de diffusion issues d'expériences, l'enquête actuelle quantifie la déformation à l'état d'équilibre des principaux minéraux de la zone de transition, la wadsleyite, ringwoodite et grenat majorite en fonction de la taille des grains.

Ces modélisations sont capables d'expliquer un certain nombre de caractéristiques clés associées à la zone de transition du manteau. Il est montré que la plasticité intracristalline de la wadsleyite, ringwoodite et grenat majorite par fluage ascensionnel pur à des contraintes géologiques conduit à une zone de transition équivisque de 10 ^(21±1) Pa.s si la taille du grain est de ~0,1 mm ou plus, correspondant bien aux données géophysiques de surface inversées disponibles qui sont généralement utilisées pour contraindre les propriétés rhéologiques du manteau terrestre. Étant donné que le fluage de montée pur n'induit pas de rotation du réseau et ne peut pas produire de CPO, la déformation de la zone de transition par ce mécanisme est compatible avec son isotropie sismique relative par rapport au manteau supérieur. Les chercheurs ont également découvert que le CPO est capable de se développer avec les concentrations de contraintes par l'activation du fluage de Weertman, par exemple dans les écoulements d'angle autour de dalles de subduction froides, quelque chose qui pourrait induire une augmentation de la résistance à la subduction, expliquant pourquoi certaines dalles calent à la base de la zone de transition. D'autre part, des réductions de viscosité sont prévues si les grains sont inférieurs à ~0,1 mm lorsque les silicates de la zone de transition se déforment par diffusion atomique pure, communément appelé « fluage de diffusion, " qui pourrait potentiellement influencer la dynamique de l'écoulement à l'intérieur des dalles de subduction froides ou à travers les transitions de phase.

L'incorporation future de ces mécanismes de déformation en fonction de la taille des grains dans les modèles de convection géodynamique devrait améliorer notre compréhension de l'interaction entre le manteau supérieur et inférieur et devrait être utile pour limiter l'évolution géochimique de la Terre.