Experimental investigations of the deep Earth's mantle melting properties

Recherches expérimentales de fusion de la Terre profonde Les processus de fusion ont joué un rôle clé dans l'évolution de la Terre. Au cours des premiers stades de la formation de la Terre, de grandes quantités de chaleur ont été libérées par(i) l'énergie gravitationnelle lors de la ségrégation noyau-manteau, (ii) la désintégration radioactive et (iii) les collisions entre corps orbitant autour du Soleil (en incluant l'impact géant qui a formé la Lune). Tous ces évènements ont conduit à la fusion du manteau et à des épisodes d'océan magmatique. Ensuite, les processus complexes de cristallisation du manteau ont conduit à la ségrégation chimique entre les différents réservoirs terrestres. Ces phénomènes ont été contrôlés par les propriétés de fusion des matériaux qui constituent le manteau.La fusion partielle se produit encore aujourd'hui dans les différentes régions du manteau. Comme preuves, des zones de vitesses sismiques faibles (LVZ) ont été rapportées dans le manteau supérieur, pour des profondeurs allant de 80 jusqu'à 410 km, grâce à différentes études sismologiques et magnétotelluriques. La diminution de vitesse des ondes sismiques est compatible avec la fusion partielle du manteau. Toutefois, cette question reste la source de vifs débats. Les études expérimentales portant sur la fusion des matériaux du manteau montrent en effet que la température actuelle du manteau est insuffisante pour provoquer la fusion du manteau péridotitique (ou pyrolitique) dans le manteau supérieur. La fusion peut seulement se produire dans certaines conditions, à savoir (i) en présence d'une quantité importante d'éléments volatils, tels que l'eau ou le CO2, car ces éléments diminuent significativement la température de fusion, ou (ii) pour des changements importants de composition chimique, par exemple pour de la croûte océanique subduite dans le manteau.Dans une première partie de cette étude, nous avons effectué des expériences de fusion sur un verre homogène, de composition chondritique, comme analogue du manteau de la Terre primitive après la ségrégation du noyau. Nous avons effectué des études in situ de diffraction de rayons X et de spectroscopie d'impédance pour détecter les premiers stades de fusion. À l'aide d'une presse à multi-enclumes, nous avons reproduit des pressions jusqu'à 25 GPa en vue de déterminer la température de solidus du manteau supérieur primitif. Nos résultats suggèrent que les études précédentes qui utilisaient la méthode de la trempe ont surestimé le solidus d'environ 250 K. Les implications sont multiples. Tout d'abord, cela suggère que la fusion partielle pourrait avoir lieu plus facilement dans le manteau actuel qu'on ne le pensait initialement, en particulier lorsque des éléments volatils, tels que H, sont présents. Nous avons calculé l'effet de l'eau sur la température de solidus en fonction de la teneur en eau, en utilisant la relation cryoscopique. Nos résultats montrent que 500-600 ppm d'eau sont suffisantes pour abaisser la température de solidus jusqu'à la température actuelle du manteau. La présence d'eau dans le manteau pourrait donc expliquer les LVZ observées sismiquement.Une autre implication majeure concerne l'état du manteau supérieur au cours de l'Archéen. Des températures mantelliques 200 à 300 K plus élevées qu'aujourd'hui, comme le suggère la composition d'anciens basaltes et de komatiites, induiraient la fusion partielle à des profondeurs d’environ 200 à 400 km. Ainsi, une couche de matériau partiellement fondu pourrait avoir persisté pendant de longues périodes géologiques au milieu du manteau supérieur. Cette couche aurait entraîné le découplage dynamique entre les parties supérieure et inférieure du manteau, pour éventuellement inhiber la convection globale du manteau. Ensuite,avec le refroidissement séculaire, la disparition de cette zone partiellement fondue aurait pu induire, il y a environ 2.5 milliards d'années, une convection globale et la tectonique des plaques telle que nous l'observons aujourd'hui. (...)