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L’énigme secrète de Deep Earth : la bridgmanite et le mystère du saut de viscosité

Earth

Les chercheurs ont découvert que le manteau inférieur de la Terre devient plus visqueux à des profondeurs de 800 à 1 200 kilomètres, en raison de roches enrichies en bridgmanite. Ces roches, dont la granulométrie est plus grande, affectent les processus géophysiques et géochimiques.

Le professeur Tomoo Katsura et son équipe de recherche internationale de l’Institut bavarois de recherche en géochimie et géophysique expérimentales de l’Université de Bayreuth ont découvert pourquoi les roches à l’intérieur de la Terre deviennent soudainement plus visqueuses à des profondeurs de 800 à 1 200 kilomètres.

La cause de ce changement réside dans les roches enrichies en bridgmanite qui constituent la majeure partie du manteau inférieur de la Terre en dessous d’environ 1 000 kilomètres. Ces roches ont une granulométrie beaucoup plus grande que les roches situées au-dessus d’elles, ce qui entraîne une viscosité élevée. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Nature. Le scientifique du MLZ, le Dr Nicolas Walte, a fait partie de cette collaboration fructueuse et est co-auteur de la publication.

Manteau inférieur enrichi en bridgmanite

Bridgmanite doit son nom au lauréat du prix Nobel de physique, Percy Bridgman. C’est le minéral le plus abondant du manteau inférieur de la Terre, qui s’étend d’une profondeur de 660 kilomètres à 2 900 kilomètres et occupe environ la moitié de la Terre entière. Des scientifiques d’Allemagne, de Chine, de France, du Royaume-Uni et des États-Unis ont découvert que la taille des grains de bridgmanite augmente à environ 1 000 km de profondeur, à mesure que les roches du manteau inférieur s’enrichissent en bridgmanite avec l’augmentation de la profondeur.

En conséquence, il y a une augmentation marquée de la viscosité dans la partie la moins profonde du manteau inférieur, car la viscosité dépend positivement de la taille des grains. La partie la moins profonde du manteau inférieur est constituée de pyrolite. Cette roche contient 20 % en volume de minéraux secondaires. Ces minéraux secondaires empêchent la croissance des grains de la bridgmanite. En revanche, il existe des proportions beaucoup plus faibles de minéraux secondaires dans les roches enrichies en bridgmanite, où la bridgmanite peut se développer librement en gros grains.

Saut de viscosité dans le manteau inférieur

Saut de viscosité dans le manteau inférieur. Crédit : © Hongzhan Fei

Phénomènes déroutants liés à des structures vieilles d’un milliard d’années au plus profond de la Terre

Le saut de viscosité qui en résulte affecte un large éventail de processus géophysiques et géochimiques. « Bien que les plaques subductées s’enfoncent plutôt doucement dans le manteau inférieur, leur enfoncement est ralenti dans la partie peu profonde du manteau inférieur. En revanche, la remontée des panaches du manteau, qui produisent des volcans dans différentes zones de la surface terrestre, semble devenir rapide au-dessus de 1 000 km de profondeur. Même si ces observations étaient difficiles à comprendre, nous pouvons désormais les expliquer de manière rationnelle. mentionne le premier auteur, le Dr Hongzhan Fei, qui était chercheur au Géoinstitut bavarois (BGI) et maintenant professeur dans l’une des meilleures universités de Chine, l’Université du Zhejiang à Hangzhou.

Les roches hautement visqueuses enrichies en bridgmanite se sont formées au début de l’histoire de la Terre. Parce qu’ils sont très visqueux, la convection mantellique ne peut pas les mélanger avec d’autres composants du manteau. En conséquence, les roches enrichies en bridgmanite ont été préservées dans les profondeurs du manteau inférieur pendant des milliards d’années.

Corréler les résultats avec les observations sismiques

Le professeur Tomoo Katsura, titulaire de la chaire de structure et de dynamique des matériaux terrestres au BGI, relie les nouveaux résultats de recherche aux observations sismiques. « Les sismologues ont montré que de nombreuses dalles subductées stagnent dans la couche entre 600 et 1 500 kilomètres de profondeur. Ils ont également montré que, bien que les panaches s’élèvent verticalement et puissent être clairement visualisés en dessous d’une profondeur de 1 000 kilomètres, ils deviennent difficiles à imager au-dessus de cette profondeur.

« Notre nouvelle théorie peut expliquer ces observations. Comme la viscosité augmente avec la profondeur, les dalles sont difficiles à pénétrer dans les régions situées à plus de 1 000 kilomètres de profondeur. D’un autre côté, les panaches s’élèvent plus rapidement à cette profondeur et deviennent ainsi plus fins et difficiles à imager. Katsura explique.

L’étude, publiée dans Natureest le résultat d’une étroite collaboration entre le Prof. Dr. Tomoo Katsura (Université de Bayreuth) et le Prof. Dr. Hongzhan Fei (Université de Bayreuth et Université du Zhejiang/Chine) avec le Dr Nicolas Walte (Université technique de Munich), Prof. Dr Maxim Ballmer (University College London/UK), Dr Ulrich Faul (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge/USA) et Dr Weiwei Cao (Conditions et matériaux extrêmes : haute température et irradiation (CEMHTI), Orléans/France) .

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