Projet ANR-10-BLAN-0622 – CMBmelt : Fusion à l'interface noyau-manteau
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Système Terre, environnement, risques (Blanc SIMI 6) 2010
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Guillaume FIQUET (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - Délégation Paris B)
Partenaires : Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie; Laboratoire de Géologie de Lyon : Terre, Planètes et Environnement; UC Berkeley
Montant : 540000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : Des observations sismologiques, géodynamiques et de mineral physics apportent la preuve d'hétérogénéités chimiques en base de manteau. Toutefois, les interprétations sont de diverses natures: ces hétérogénéités peuvent être héritées de la formation du noyau, de la présence de plaques lithosphériques subductées, de l'effet d'une fusion partielle du manteau, ou bien d'interactions entre le manteau et le noyau. Depuis peu, les interprétations s'orientent vers la fusion partielle de la base du manteau. De nombreuses observations sismologiques font en effet état en toute base de manteau de zones à très faibles vitesses sismiques ou ULVZ (Ultra Low Velocity Zone), qui présentent des réductions de l'ordre de 10 à 30 % pour les vitesses d’ondes P et S. Ces régions, d'extension verticale de l'ordre de quelques km à une cinquantaine de km sont interprétées comme des portions de manteau terrestre partiellement fondu.
Ces interprétations, cependant, s'appuient sur peu de données: une étude théorique (Stixrude et al., 2009) mentionne la possibilité de développer un liquide dense en base de manteau, idée étayée par des expériences de chocs (Mosenfelder et al., 2007; 2009) et par une seule expérience de fusion d'un échantillon de composition pyrolitique menée jusqu'à 60 GPa (Zerr  & Boehler, 1994). La possibilité de générer une fusion partielle, si elle est vérifiée, est très attrayante: cela peut en effet avoir des effets sur la dynamique de la région la plus profonde du manteau terrestre, D", sur le flux de chaleur au travers de l'interface noyau-manteau, sur le partage des éléments traces, le bilan des gaz rares dans la Terre profonde. Mais de manière surprenante, les diagrammes de phase et les phénomènes de fusion partielle ne sont pas connus pour cette Terre très profonde, alors même que tout ou presque dépend de ces relations de phases, comme le montre un modèle de Labrosse et al. (2007). Afin de lever nombre d'incertitudes, les buts avoués de ce projet sont de construire par des expériences innovantes un diagramme de phases réaliste pour cette région du manteau, de contraindre les partages d'éléments majeurs et traces au cours de la fusion partielle, et d'utiliser ces données pour modéliser l'évolution couplée thermique et chimique d'un océan magmatique basal potentiel. A ce jour, aucune donnée de fusion du manteau n’existe au-delà de 60 GPa en dehors de mesures de chocs sur de l'olivine ou un système MgSiO3 qui ne donnent aucune information sur la nature du liquide, qui plus est pour une composition initiale a priori éloignée de la composition attendue du manteau.
Notre proposition est donc la suivante:
(1) préciser expérimentalement et ce jusqu'en base de manteau la nature des phases au solidus et au liquidus, et construire des diagrammes de phases autocohérents.
(2) caractériser le partage des éléments majeurs et traces entre phases liquides et solides dans les conditions P-T de la base du manteau, pour un manteau moyen aussi bien que pour une composition de MORB.
(3) modéliser l'évolution thermique et chimique de cette zone fondue en base de manteau, évaluer les conséquences sur les signatures géochimiques caractéristiques attendues pour les OIBs, et contraindre le flux de chaleur à la CMB.
Nous pensons que ces expériences sont un challenge réaliste, notamment de part le couplage des mesures de diffraction in situ en rayonnement synchrotron avec des analyses des échantillons récupérés au moyen d'outils à très haute résolution spatiale, compatible avec les tailles de grains de nos phases de haute pression. Les expériences préliminaires présentées dans le projet montrent que nous maîtrisons ces outils. Enfin, le couplage d'une modélisation thermodynamique de ces systèmes et d'une modélisation numérique de l'évolution thermique et chimique de cet océan magmatique basal nous permettra de comprendre le fonctionnement d'une des régions les plus mystérieuses de la Terre, la frontière noyau-manteau.