Mantle melting at high pressure and high temperature : Application to the dynamics of the early Earth
Fusion du manteau à haute pression et haute température : application à la dynamique de la Terre primitive
Résumé
During the formation of the Earth, large amounts of heat were released by gravitational energy through planetesimal collisions, but also core-mantle segregation or radioactive decay. These dif- ferent processes caused the melting of the mantle and episodes of magma ocean. As the Earth co- oled, the magma ocean crystallized, leading to chemical segregation between the different terrestrial reservoirs. Studying the melting properties of the mantle is therefore essential to better understand the establishment of the early Earth and its evolution until today. Currently we distinguish zones of low seismic velocities in the upper mantle (LVL and LVZ) but also in the lower mantle (LLSVP and ULVZ) for depths ranging from 80 to about 2900 km, thanks to various seismological and magneto- telluric studies. The origin of the low velocity of the seismic waves seems, in some cases, compatible with the partial melting of the mantle. However, this question is still hotly debated. The various expe- rimental studies carried out on mantle materials indicate that the current temperature of the Earth does not allow the melting of the peridotitic, chondritic or pyrolitic mantle without the intervention of a significant amount of volatile elements, such as water or CO2, or drastic changes in the chemical composition. However, the melting properties of the deep mantle remain controversial due to great experimental difficulties. In a first part of this study, we performed a new experimental determination of (i) the solidus pro- file of ultra-dry pyrolite and (ii) the melting curve of two (Mg,Fe)(Si,Al)O3 compositions of bridgma- nite (Bg), using a laser heated diamond anvil cell (LH-DAC). The melting was detected using various criteria. The results obtained indicate that the melting curve of MgSiO3 is in good agreement with previous reports based on ab initio calculations and shock wave experiments while (Mg0.955,Fe0.045) (Si0.993,Al0.007)O3 melts at temperatures 600-800 K lower than pure MgSiO3. The pyrolite solidus shows a steady evolution from 2200(100) K to 3950(200) K between 25 and 140 GPa, respectively. The new solidus is 200-300 K lower than that of the peridotite, which is expected from a more fertile pyrolitic mantle. Assuming a dry lower mantle, our results imply a core-mantle boundary temperature below 3950(200) K. We subsequently experimentally investigated the solid-liquid phase relationships for the dry- pyrolitic mantle composition at temperatures between 1500 K and 2400 K and at pressures up to more than 25 GPa, using multi anvil presses. We have taken particular interest in determining the partial melt rate as a function of pressure and temperature by (i) performing in-situ measurements of sample electrical conductivity and sample mineralogy by X-ray diffraction, (ii) detecting the fall of a Re-sphere by X-ray contrast imaging, and finally (iii) careful chemical analyses of recovered samples. The high sensitivity of our in-situ measurements reveals significantly lower solidus and liquidus tem- perature profiles than previously reported for the upper mantle. A mantle temperature about 100 K higher than today would induce incipient melting in a wide range of upper mantle depths. The new constraints on the melting properties allow us to refine the type of chemical segregation that could have occurred in the early Earth. The different results obtained finally allow us to discuss mantle mel- ting during the Earth’s history. Finally, in this study, we identify mantle conditions corresponding to large igneous provinces and komatiites, based on an experimental study of pyrolitic mantle melting. Comparisons between experimental melts and natural lavas show that the mantle source depth decreases from 600-700 km for the oldest, low-aluminum komatiites to 100-300 km for picrites and basalts. (...)
Lors de la formation de la Terre, de grandes quantités de chaleur ont été libérées par l’énergie gravitationnelle grâce aux collisions de planétésimaux, mais aussi à la ségrégation noyau-manteau ou encore à la désintégration radioactive. Ces différents processus ont provoqué la fusion du manteau et des épisodes d’océan magmatique. Avec le refroidissement de la Terre, l’océan magmatique s’est cristallisé, ce qui a conduit à la ségrégation chimique entre les différents réservoirs terrestres. Étudier les propriétés de fusion du manteau est donc essentiel afin de mieux comprendre la mise en place de la Terre primitive et son évolution jusqu’à aujourd’hui. Grâce à différentes études sismologiques et magnétotelluriques, on distingue actuellement des zones à faibles vitesses sismiques dans le manteau supérieur (LVL et LVZ), mais aussi dans le manteau inférieur (LLSVP et ULVZ), pour des profondeurs allant de 80 jusqu’à environ 2900 km. L’origine des faibles vitesse des ondes sismiques semble, dans certains cas, compatible avec la fusion partielle du manteau. Malgré tout, cette question est encore vivement débattue. Les diverses études expérimentales réalisées sur des matériaux mantélliques indiquent que la température potentielle actuelle ne permet pas la fusion du manteau péridotitique, chondritique ou pyrolitique sans l’intervention d’une quantité importante d’éléments volatils, tels que l’eau ou le CO2, ou bien des changements drastiques de la composition chimique. Cependant, les propriétés de fusion du manteau profond restent controversées en raison des grandes difficultés expérimentales. Dans une première partie de cette étude, nous avons réalisé une nouvelle détermination expéri- mentale (i) du profil du solidus de la pyrolite ultra-sèche et (ii) de la courbe de fusion de deux compositions (Mg,Fe)(Si,Al)O3 de la bridgmanite (Bg), en utilisant une cellule à enclumes de diamant chauf- fée par laser (LH-DAC). La fusion a été détectée en utilisant divers critères. Les résultats obtenus indiquent que la courbe de fusion de MgSiO3 est en bon accord avec les études précédentes, basées sur des calculs ab initio et des expériences d’ondes de choc, tandis que (Mg0.955,Fe0.045)(Si0.993,Al0.007)O3 fond à des températures de 600 à 800 K inférieures à celles du MgSiO3 pur. Le solidus de la pyrolite présente une évolution régulière de 2200(100) K à 3950(200) K entre 25 et 140 GPa, respectivement. Le nouveau solidus est 200-300 K plus bas que celui de la péridotite. En supposant un manteau inférieur sec, nos résultats impliquent une température de limite noyau- manteau inférieure à 3950(200) K. Nous avons, par la suite, étudié expérimentalement les relations de phase solide-liquide pour la composition du manteau sec-pyrolitique, à des températures comprises entre 1500 K et 2400 K et à des pressions allant jusqu’à plus de 25 GPa, en utilisant des presses multi-enclumes. Nous avons porté un intérêt particulier à la détermination du taux de fusion partielle en fonction de la pression et de la température (i) en effectuant des mesures in situ de la conductivité électrique de l’échantillon et de la minéralogie de l’échantillon par diffraction des rayons X, (ii) en détectant la chute d’une Re- sphère par imagerie de contraste aux rayons X et enfin (iii) par des analyses chimiques minutieuses des échantillons récupérés. La grande sensibilité de nos mesures in-situ révèle des profils de température du solidus et du liquidus significativement plus bas que ceux rapportés précédemment pour le manteau supérieur. (...)
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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