Experimental investigations of the deep Earth's mantle melting properties

par Giacomo Pesce

Thèse de doctorat en Pétrologie Expérimentale

Sous la direction de Denis Andrault.

Soutenue le 07-12-2016

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de Ecole doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire Magmas et Volcans (laboratoire) .

Le président du jury était Didier Laporte.

Le jury était composé de Eric Debayle, Geeth Manthilake.

Les rapporteurs étaient Bruno Reynard, Fabrice Gaillard.

  • Titre traduit

    Recherches expérimentales de fusion de la Terre profonde


  • Résumé

    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. (...)


  • Résumé

    Melting processes play a key role in the Earth’s evolution. In the early stages of theEarth's formation, large amounts of heat were released from (i) gravitational energy from coremantlesegregation, (ii) radiogenic decay and (iii) collisions with large-scale impactors (suchas the Moon-forming impact). This led to extensive mantle melting with eventual formation ofa magma ocean. Then, chemical segregation between the different terrestrial reservoirs resultedfrom the complex processes of mantle crystallization. These mechanisms were primarilycontrolled by thermal evolution of partially molten mantle. Partial melting however may stilloccurs today in different mantle regions. Evidences of low velocities zones (LVZ) in the uppermantle have been reported by different seismological and magneto-telluric studies, at a depthranging from 80 km down to the 410 km seismic discontinuity. The reduction in seismic wavevelocities reported is also consistent with the occurrence of partial melting. However, thismatter remains the source of a vivid debate.The experimental studies addressing melting of mantle materials show that the presentdaytemperature is not sufficient to induce melting of the bulk peridotitic or pyrolitic mantle,at all depths throughout upper mantle, transition zone and lower mantle. Melting can still arisein certain conditions, i.e. (i) in presence of significant amounts of volatile elements, such aswater or CO2, because it can decrease the melting temperature of silicate rocks by hundreds ofdegrees or (ii) for significant compositional changes, e.g. when the oceanic crust is subductedin the mantle.In this study, we performed melting experiment on a homogeneous glass withchondritic composition, a proxy for the primitive Earth’s mantle after core segregation. Weperformed in situ synchrotron X-ray diffraction and in situ impedance spectroscopymeasurements to detect the onset of melting during the experiments in a multi anvil apparatus,at pressures up to 25 GPa, in order to determine the solidus temperature of the primitive uppermantle. Our results show that previous studies overestimated the solidus by approximately 250K. The implication for a lower solidus are manifold. Firstly, partial melting could take place inthe mantle today at lower temperatures than previously believed, especially when volatileelements such as H are present. The variation of the solidus temperature as a function of watercontent was therefore calculated using the cryoscopic relation reported in previous studies. Ourresults show that 500-600 ppm of water are required to depress the solidus temperature enoughto cross the mantle geotherm at depths in which LVL are observed, which is compatible withthe reported maximum water storage capability of the upper mantle.Another major implication concerns the early state of the upper mantle. Mantletemperatures 200-300 K higher than today, as suggested from the composition of ancient nonarcbasalts and komatiites, would induce partial melting at depths from ~200 to ~400 km. Thus,a shell of partially molten material could have persisted in the upper mantle for long geologicaltimes. Such weak layer could have decoupled the convection in upper and lower part of themantle, possibly disabling the establishment of modern tectonic during the Archean. Then,upon secular mantle cooling, the final mantle crystallization at mid upper-mantle depths wouldhave drastically modified the mantle dynamics, inducing global mantle convection.In this work, the melting properties of the basaltic crust subducted in the lower mantleis also presented. Subduction of the oceanic lithosphere is thought to be a major responsiblefor mantle heterogeneities. At shallow depths, slabs undergo dehydration, which induces partialmelting of the mantle wedge and arc magmatism. (...)


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