Chacune des minuscules roches de cette monture circulaire est environ la moitié d'un échantillon de manteau synthétique - après avoir été chauffée et écrasée dans l'appareil à piston-cylindre, puis coupé ouvert et poli. Sarafian place ses échantillons dans cette monture afin de les analyser pour leur teneur en eau à l'aide de la spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS). Crédit :Photo par Jayne Doucette, Institution océanographique de Woods Hole
La température à l'intérieur de la Terre affecte tout, du mouvement des plaques tectoniques à la formation de la planète.
Une nouvelle étude menée par la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) suggère que le manteau, le plus solide, partie rocheuse de l'intérieur de la Terre qui se situe entre son noyau surchauffé et sa couche crustale externe - peut être plus chaude qu'on ne le croyait auparavant. La nouvelle découverte, publié le 3 mars dans la revue Science , pourrait changer la façon dont les scientifiques envisagent de nombreux problèmes liés aux sciences de la Terre, y compris la formation des bassins océaniques.
« Aux dorsales médio-océaniques, les plaques tectoniques qui forment le fond marin s'écartent progressivement, " a déclaré Emily Sarafian, auteure principale de l'étude, un étudiant diplômé du programme conjoint MIT-WHOI. "La roche du manteau supérieur s'élève lentement pour combler le vide entre les plaques, fondre lorsque la pression diminue, puis se refroidissant et se resolidifiant pour former une nouvelle croûte le long du fond de l'océan. Nous voulions pouvoir modéliser ce processus, nous avions donc besoin de connaître la température à laquelle la roche du manteau ascendant commence à fondre. »
Mais déterminer cette température n'est pas facile. Comme il n'est pas possible de mesurer directement la température du manteau, les géologues doivent l'estimer grâce à des expériences de laboratoire qui simulent les hautes pressions et températures à l'intérieur de la Terre.
L'eau est un élément essentiel de l'équation :plus il y a d'eau (ou d'hydrogène) dans la roche, plus la température à laquelle il fondra est basse. La roche péridotite qui constitue le manteau supérieur est connue pour contenir une petite quantité d'eau. "Mais nous ne savons pas précisément comment l'ajout d'eau modifie ce point de fusion, " a déclaré le conseiller de Sarafian, Le géochimiste de l'OMSI Glenn Gaetani. "Donc, il y a encore beaucoup d'incertitude."
Image de l'une des expériences de mimétisme en laboratoire de l'équipe, qui a été réalisée dans une capsule en alliage or-palladium. Les cases noires mettent en évidence les emplacements des grains d'olivine, et les fosses sombres dans les olivines sont des mesures réelles de la teneur en eau de l'olivine. La péridotite est la matrice à grain super fin. Crédit :Emily Sarafian.
Pour comprendre comment la teneur en eau de la roche du manteau affecte son point de fusion, Sarafian a mené une série d'expériences en laboratoire à l'aide d'un appareil à piston-cylindre , une machine qui utilise du courant électrique, plaques de métal lourd, et des piles de pistons afin d'amplifier la force pour recréer les températures et les pressions élevées trouvées au plus profond de la Terre. Suivant la méthodologie expérimentale standard, Sarafian a créé un échantillon de manteau synthétique. Elle a utilisé un connu, composition minérale standardisée et séchée à l'étuve pour éliminer le plus d'eau possible.
Jusqu'à maintenant, dans des expériences comme celles-ci, les scientifiques qui étudient la composition des roches ont dû supposer que leur matériau de départ était complètement sec, parce que les grains minéraux avec lesquels ils travaillent sont trop petits pour être analysés pour l'eau. Après avoir mené leurs expériences, ils corrigent leur point de fusion déterminé expérimentalement pour tenir compte de la quantité d'eau connue pour être dans la roche du manteau.
"Le problème est, les matières premières sont des poudres, et ils adsorbent l'eau atmosphérique, " dit Sarafian. " Alors, que vous ayez ajouté de l'eau ou non, il y a de l'eau dans votre expérience."
Sarafian a adopté une approche différente. Elle a modifié son échantillon de départ en ajoutant des sphères d'un minéral appelé olivine, qui se produit naturellement dans le manteau. Les sphères étaient encore minuscules - environ 300 micromètres de diamètre, ou la taille des grains de sable fins, mais ils étaient suffisamment gros pour que Sarafian analyse leur teneur en eau à l'aide de la spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS). De là, elle a pu calculer la teneur en eau de tout son échantillon de départ. A sa grande surprise, elle a découvert qu'il contenait à peu près la même quantité d'eau que l'on sait être dans le manteau.
Sur la base de ses résultats, Sarafian a conclu que la fonte du manteau devait commencer à une profondeur plus faible sous le fond marin que prévu.
Dans ses expériences en laboratoire, Sarafian a utilisé un appareil à piston-cylindre - la machine rouge derrière elle - pour simuler les pressions et la température élevées du manteau terrestre. Les lourdes plaques d'inox visibles sur la table sont empilées sur l'appareil, avec le petit échantillon de manteau synthétique à l'intérieur d'un « récipient sous pression » en dessous d'eux. Une fois la machine allumée, les pistons appliquent une pression massive au-dessus et au-dessous de l'échantillon, qui est simultanément chauffé avec du courant électrique. Crédit :Photo de Véronique LaCapra, Institution océanographique de Woods Hole
Pour vérifier ses résultats, Sarafian est devenu magnétotellurique, une technique qui analyse la conductivité électrique de la croûte et du manteau sous le fond marin. La roche en fusion conduit l'électricité beaucoup plus que la roche solide, et en utilisant des données magnétotelluriques, les géophysiciens peuvent produire une image montrant où la fonte se produit dans le manteau.
Mais une analyse magnétotellurique publiée dans La nature en 2013 par des chercheurs de la Scripps Institution of Oceanography à San Diego a montré que la roche du manteau fondait à une profondeur plus profonde sous le fond marin que les données expérimentales de Sarafian ne l'avaient suggéré.
En premier, Les résultats expérimentaux de Sarafian et les observations magnétotelluriques semblaient contradictoires, mais elle savait que les deux devaient être corrects. Le rapprochement des températures et des pressions mesurées par Sarafian dans ses expériences avec la profondeur de fusion de l'étude Scripps l'a amenée à une conclusion surprenante :le manteau supérieur océanique doit être 60 °C (~110 °F) plus chaud que les estimations actuelles, ", a déclaré Sarafian.
Une augmentation de 60 degrés peut ne pas sembler beaucoup par rapport à une température du manteau fondu de plus de 1, 400°C. Mais Sarafian et Gaetani disent que le résultat est significatif. Par exemple, un manteau plus chaud serait plus fluide, aider à expliquer le mouvement des plaques tectoniques rigides.
