Dans les années 1960, quelque 50 ans après que le chercheur allemand Alfred Wegener ait proposé son hypothèse de dérive des continents, la théorie de la tectonique des plaques a donné aux scientifiques un cadre unificateur pour décrire le mouvement à grande échelle des plaques de surface qui composent la lithosphère terrestre, un cadre qui a par la suite révolutionné les géosciences.

La façon dont ces plaques se déplacent à la surface de la Terre est contrôlée par le mouvement à l'intérieur du manteau, dont la force motrice est la convection due à des anomalies thermiques, avec une hétérogénéité de composition également attendue. Cependant, le défi technique de visualiser des structures à l'intérieur d'un optiquement impénétrable, 6, La sphère rocheuse d'un rayon de 371 kilomètres a permis de comprendre l'état de composition et thermique du manteau, ainsi que son évolution dynamique, un défi de longue date en sciences de la Terre.

Maintenant, dans un article publié aujourd'hui dans Communication Nature , chercheurs du MIT, Collège impérial, Université du riz, et l'Institut des sciences de la Terre en France rapportent des preuves directes de variations latérales de la composition du manteau sous Hawaï. Les résultats fournissent aux scientifiques de nouvelles informations importantes sur l'évolution de la Terre au cours de ses 4,5 milliards d'années d'histoire, pourquoi c'est comme c'est maintenant, et ce que cela signifie pour les planètes rocheuses ailleurs.

Variation de composition

Les scientifiques traitent le manteau comme deux couches, le manteau inférieur et le manteau supérieur, séparées par une couche limite appelée zone de transition du manteau (MTZ). Physiquement, la MTZ est délimitée par deux discontinuités de vitesse sismique à près de 410 km et 660 km de profondeur (appelées 410 et 660). Ces discontinuités, qui sont dues aux transitions de phase dans les minéraux silicatés, jouent un rôle important dans la modulation du flux du manteau. Les variations latérales en profondeur de ces discontinuités ont été largement utilisées pour déduire des anomalies thermiques dans le manteau, comme la physique minérale prédit un 410 moins profond et un 660 plus profond dans les régions froides et un 410 plus profond et un 660 moins profond dans les régions chaudes.

Des études pétrologiques et numériques antérieures prédisent également la ségrégation de la composition des matériaux basaltiques et harzburgitiques (et donc l'hétérogénéité de la composition) près de la base de la MTZ dans les environnements relativement chauds à faible viscosité près des upwellings du manteau. Mais les preuves d'observation d'un tel processus ont été rares.

La nouvelle étude, cependant, démontre des preuves claires d'une variation latérale de la composition près de la base de la MTZ en dessous d'Hawaï. Cette preuve pourrait avoir des implications importantes pour notre compréhension générale de la dynamique du manteau.

En tant qu'auteur principal Chunquan Yu Ph.D. '16, un ancien étudiant diplômé du groupe Hilst au MIT qui est maintenant post-doctorant à Caltech, explique, "Au milieu des dorsales océaniques, la séparation des plaques entraîne une fusion ascendante et partielle du matériau du manteau. Un tel processus entraîne une différenciation de la lithosphère océanique avec des matériaux basaltiques dans la croûte et des résidus harzburgitiques dans le manteau. Au fur et à mesure que la lithosphère océanique différenciée se refroidit, il redescend dans le manteau le long de la zone de subduction. Le basalte et la harzburgite sont difficiles à séparer dans des environnements froids. Cependant, ils peuvent se séparer dans des environnements relativement chauds à faible viscosité, comme les remontées d'eau près du manteau, fournissant potentiellement une source majeure d'hétérogénéité de composition dans le manteau terrestre."

Regarder avec des tremblements de terre

Pour explorer cette idée, Yu et ses collègues ont utilisé une technique sismique impliquant l'analyse des réflexions des ondes de cisaillement sous les discontinuités du manteau, connues sous le nom de précurseurs SS, pour étudier les structures MTZ sous l'océan Pacifique autour d'Hawaï.

"Quand un tremblement de terre se produit, il rayonne à la fois de l'énergie de compression (P) et de l'onde de cisaillement (S). Les ondes P et S peuvent se refléter à partir d'interfaces à l'intérieur de la Terre, " explique Yu. " Si une onde S quitte une source vers le bas et se réfléchit sur la surface libre avant d'arriver au récepteur, il est appelé SS. Les précurseurs SS sont des réflexions d'ondes S sous les discontinuités du manteau. Parce qu'ils voyagent le long de trajets de rayons plus courts, ils sont précurseurs des SS."

En utilisant une nouvelle technique de réseau sismique, l'équipe a pu améliorer le rapport signal/bruit des précurseurs SS et éliminer les phases interférentes. Par conséquent, beaucoup plus de données qui auraient autrement été rejetées sont devenues accessibles pour l'analyse.

Ils ont également utilisé une analyse dite d'amplitude par rapport à l'offset, un outil largement utilisé en sismologie d'exploration, pour contraindre les propriétés élastiques à proximité des discontinuités MTZ.

L'analyse révèle de fortes variations latérales dans les contrastes radiaux de la densité de masse et de la vitesse d'onde sur le 660 alors qu'aucune variation de ce type n'a été observée le long du 410. En complément, la modélisation thermodynamique de l'équipe, le long d'une plage de températures du manteau pour plusieurs compositions représentatives du manteau, exclut une origine thermique pour les variations latérales inférées des contrastes élastiques à travers 660. Au lieu de cela, les 660 contrastes inférés peuvent être expliqués par une variation latérale de la composition du manteau :du manteau moyen (pyrolytique ; environ 60 % d'olivine) sous Hawaï à un mélange avec une harzburgite plus appauvrie à l'état fondu (environ 80 % d'olivine) au sud-est du hotspot. Une telle hétérogénéité de composition est cohérente avec les prédictions numériques selon lesquelles la ségrégation des matériaux basaltiques et harzburgitiques pourrait se produire près de la base de la MTZ près des upwellings chauds et profonds du manteau comme celui qui est souvent invoqué pour provoquer une activité volcanique à Hawaï.

« Il a été suggéré que la ségrégation de la composition entre les matériaux basaltiques et harzburgitiques pourrait former une couche gravitationnellement stable au-dessus de la base de la MTZ. et affectent ainsi fortement le mode de convection du manteau et sa circulation chimique, " dit Yu.

Cette étude présente une technique prometteuse pour obtenir des contraintes sur la distribution jusqu'ici insaisissable de l'hétérogénéité de composition au sein du manteau terrestre. Une ségrégation compositionnelle près de la base de la MTZ est attendue depuis les années 1960 et la preuve que ce processus se produit effectivement a des implications importantes pour notre compréhension de l'évolution chimique de la Terre.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.