Une équipe dirigée par des géoscientifiques de l'Arizona State University et de la Michigan State University a utilisé la modélisation informatique pour expliquer comment des poches de roche pâteuse s'accumulent à la frontière entre le noyau terrestre et le manteau.

Ces poches, couché environ 2, 900 kilomètres (1, 800 milles) sous la surface, sont connus depuis de nombreuses années, mais auparavant il manquait une explication sur la façon dont ils se formaient.

Les corps rocheux relativement petits sont appelés "zones à ultra-faible vitesse" car les ondes sismiques ralentissent considérablement lorsqu'elles les traversent. Les géoscientifiques ont pensé que les zones sont partiellement fondues, pourtant, les poches sont déroutantes car beaucoup sont observées dans les régions plus froides du manteau profond.

"Ces petites régions ont été supposées être une version partiellement fondue de la roche qui les entoure, " dit Mingming Li, auteur principal de l'étude, qui a été publié le 2 août 2017, dans la revue Communication Nature . "Mais leur répartition mondiale et leurs grandes variations de densité, forme, et la taille suggèrent qu'ils ont une composition différente du manteau."

Li a rejoint l'École d'exploration de la Terre et de l'espace (SESE) de l'ASU ce mois-ci en tant que professeur adjoint. Il était un étudiant diplômé de l'ancien professeur agrégé SESE Allen McNamara, également co-auteur sur le papier; McNamara est maintenant au département des sciences de la Terre et de l'environnement de l'État du Michigan. Les coauteurs supplémentaires sont le professeur SESE Edward Garnero et son doctorant Shule Yu.

"Nous ne savons pas ce que sont les zones à ultra-faible vitesse, " dit McNamara. " Ils sont soit chauds, des portions partiellement fondues d'un manteau par ailleurs normal, ou ils sont tout autre chose, une autre composition."

Parce que les preuves sismiques permettent les deux possibilités, il dit, "Nous avons décidé de modéliser la convection du manteau par ordinateur pour déterminer si leurs formes et leurs positions peuvent répondre à la question."

Les poches sont-elles liées aux blobs ?

Il y a environ un an, Garnero, McNamara, et le professeur agrégé de SESE, Dan Shim, ont rapporté que deux gigantesques structures rocheuses au plus profond de la Terre sont probablement constituées de quelque chose de différent du reste du manteau. Ils appelaient les grandes structures "pieux thermochimiques, " ou plus simplement, gouttes.

"Bien que l'origine et la composition de ces gouttes soient inconnues, " Garnero a dit à l'époque, "nous soupçonnons qu'ils détiennent des indices importants sur la façon dont la Terre s'est formée et comment elle fonctionne aujourd'hui."

De quoi sont faites les grosses gouttes et comment elles se sont formées restent encore inconnues, dit Garnero. "Mais la nouvelle modélisation informatique explique comment ces zones à ultra-faible vitesse sont associées à des blobs beaucoup plus gros."

Li dit, « Les zones à ultra-faible vitesse mesurent généralement des dizaines de kilomètres de haut, et des centaines de kilomètres de large ou moins. Ils sont principalement situés près des bords des blobs beaucoup plus gros, mais certains d'entre eux sont détectés à la fois à l'intérieur des blobs et bien loin d'eux."

Le résultat de la modélisation informatique a montré que la plupart de ces zones à ultra-faible vitesse sont différentes en composition du manteau environnant, dit Li. Quoi de plus, la modélisation a montré que des poches de roche avec des compositions différentes migreront de n'importe où sur la limite noyau-manteau vers les marges des grandes taches.

"Les marges des pieux thermochimiques sont l'endroit où les modèles d'écoulement du manteau convergent, " dit McNamara, « et par conséquent, ces zones constituent un « dépôt de collecte » pour les types de roches plus denses. »

Rassemblé par la chaleur

La force motrice de ce mouvement est la chaleur, qui alimente la convection dans le manteau.

Le manteau terrestre est fait de roche chaude, mais il se comporte plutôt comme du fudge qui mijote lentement sur une cuisinière. Dans le manteau, la chaleur provient à la fois de la radioactivité dans la roche du manteau et du noyau de la planète, dont le centre est à peu près aussi chaud que la surface du Soleil. La roche du manteau réagit à cette chaleur par un mouvement de barattage lent, convectif.

"Les détails ne sont pas tout à fait clairs, " dit Li. Mais la modélisation montre que les roches de composition différente réagissent à la convection d'une manière qui rassemble des matériaux de composition similaire. Cela déplace les petites poches de roches chimiquement distinctes vers les bords des taches les plus chaudes au-dessus de la limite noyau-manteau.

"Nous avons exécuté une modélisation informatique 3D haute résolution et nous avons développé une méthode pour suivre le mouvement à la fois des petites poches des zones à ultra-faible vitesse et des piles thermochimiques beaucoup plus grandes." Li explique, "Cela nous a permis d'étudier comment les petites poches se déplacent et comment leurs emplacements peuvent être liés à leur origine."

McNamara dit, « Ce qui était nouveau dans notre approche, et également difficile en termes de calcul, était que la modélisation prenait simultanément en compte des échelles de mouvement très différentes. » Celles-ci allaient des modèles de convection à l'échelle du manteau à l'échelle mondiale, aux grands amas thermochimiques du manteau inférieur, et jusqu'aux poches à très petite échelle de la zone à ultra-faible vitesse au fond.

"Ce que nous avons finalement trouvé, " il dit, « est-ce que si les zones de vitesse ultra-faible sont causées par la fonte d'un manteau par ailleurs normal, ils doivent être situés bien à l'intérieur des pieux thermochimiques, où les températures du manteau sont les plus chaudes."

Mais il ajoute, « Si les poches de roche à vitesse ultra-faible ont une composition différente de la roche du manteau ordinaire, alors la convection du manteau les transporterait continuellement jusqu'aux bords des piles où ils se rassemblent.

"Cela est cohérent avec ce que nous voyons dans les observations sismiques."

Des rochers plongeant profondément ?

D'où viennent les différents matériaux du manteau profond ?

« Il y a plusieurs possibilités, " dit Garnero. " Certains matériaux pourraient être associés à l'ancienne croûte océanique basaltique qui s'est profondément subductée. Ou il pourrait être associé à des réactions chimiques entre le fluide riche en fer du noyau externe et le manteau de silicate cristallin."

Garnero dit que l'origine de la roche dans les zones à ultra-faible vitesse n'est actuellement pas résolue. Mais le processus de collecte de ce matériau dans de petites poches de roche est clair.

"Vous pouvez avoir divers mécanismes, comme la tectonique des plaques, qui poussent des roches de chimies différentes dans le manteau le plus profond n'importe où sur Terre, " il dit.

"Mais une fois que ces différentes roches se sont enfoncées profondément, la convection les gagne et les entraîne vers les régions chaudes, à savoir, où résident les piles thermochimiques de taille continentale."