La variation de la taille des grains de bridgmanite explique le milieu

Apr 20, 2024

Nature volume 620, pages 794-799 (2023)Citer cet article

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Un saut de viscosité d'un à deux ordres de grandeur dans le manteau inférieur de la Terre, à une profondeur de 800 à 1 200 km, est déduit des inversions du géoïde et des vitesses de subduction des plaques. Ce saut est connu sous le nom de saut de viscosité à mi-manteau1,2. Le saut de viscosité au milieu du manteau est un élément clé de la dynamique et de l’évolution du manteau inférieur, car il ralentit la subduction des plaques3, accélère l’ascension du panache4 et inhibe le mélange chimique5. Cependant, comme les transitions de phase des principaux minéraux du manteau inférieur ne se produisent pas à cette profondeur, l'origine du saut de viscosité reste inconnue. Nous montrons ici que les roches enrichies en bridgmanite dans le manteau inférieur profond ont une taille de grain supérieure de plus d'un ordre de grandeur et une viscosité supérieure d'au moins un ordre de grandeur à celle des roches pyrolitiques sus-jacentes. Ce contraste est suffisant pour expliquer le saut de viscosité à mi-manteau1,2. La croissance rapide des roches enrichies en bridgmanite au début de l’histoire de la Terre et la viscosité élevée qui en résulte expliquent leur préservation contre la convection du manteau5,6,7. Le rapport Mg:Si élevé du manteau supérieur par rapport aux chondrites8, les rapports isotopiques anormaux 142Nd:144Nd, 182W:184W et 3He:4He dans les magmas des points chauds9,10, la déviation du panache4 et la stagnation des plaques au milieu du manteau3 également. car les rares observations d'anisotropie sismique peuvent s'expliquer par la préservation à long terme de roches enrichies en bridgmanite dans le manteau inférieur profond, favorisée par leur croissance rapide des grains.

Le manteau inférieur de la Terre est constitué de bridgmanite comme phase minérale la plus abondante, suivie de ferropériclase et de davemaoite comme deuxième et troisième phases, respectivement. Les expériences de fusion et de solidification des silicates13,14 démontrent que la bridgmanite est la première phase à cristalliser à partir d'un océan de magma au début de l'histoire de la Terre. En raison de la cristallisation fractionnée15, des roches enrichies en bridgmanite avec une faible proportion de ferropériclase (Xfpc <5–10%) se sont formées à plus de 1 000 km de profondeur environ, évoluant vers des roches pyrolitiques (ou péridotitiques) avec un Xfpc relativement élevé (≈20%) à à des profondeurs moindres, alors que la teneur en davemaoite est inférieure à celle du ferropériclase, voire absente dans les profondeurs du manteau inférieur16. Les roches enrichies en bridgmanite pourraient être préservées jusqu'à nos jours sans mélange par convection mantellique5,6,7,17, comme le démontrent les profils sismiques et de densité actuels du manteau, qui s'accordent tous deux bien avec les compositions pyrolitiques dans le manteau inférieur peu profond et la bridgmanite. roches enrichies dans les régions plus profondes18,19,20,21. Un manteau inférieur profond enrichi en bridgmanite est également soutenu par le croisement de densité entre la bridgmanite et le ferropériclase, c'est-à-dire que les roches enrichies en bridgmanite sont plus denses que les roches pyrolitiques au milieu du manteau20.

Il a été précédemment considéré que la bridgmanite était rhéologiquement plus résistante que la ferropériclase22,23,24. Ainsi, les roches enrichies en bridgmanite peuvent avoir une viscosité plus élevée que celles des roches pyrolitiques, ce qui peut entraîner une augmentation de la viscosité avec la profondeur. L’augmentation de la résistance du ferropériclase avec la pression23,25 et la transition de spin du fer26 peuvent également entraîner une augmentation de la viscosité. Cependant, l’utilisation de ces scénarios pour expliquer une augmentation de la viscosité d’un à deux ordres de grandeur nécessite un cadre interconnecté de ferropériclase (rhéologie du manteau inférieur contrôlée par le ferropériclase)5,22, ce qui est peu probable car la conductivité électrique du manteau inférieur est comparable à celle du manteau inférieur. celui de la bridgmanite27,28, mais trois ordres de grandeur inférieur à celui de la ferropériclase27. En particulier, une modélisation atomique récente29 montre que la périclase a une vitesse de fluage plus lente que celle de la bridgmanite dans des conditions de manteau, alors que les expériences de déformation30 suggèrent que la bridgmanite a une vitesse de fluage identique à celle du post-spinelle (70 % de bridgmanite + 30 % de ferropériclase) ; ces deux découvertes indiquent une rhéologie du manteau inférieur contrôlée par la bridgmanite. De plus, il a été proposé que les lacunes en oxygène dans la bridgmanite formées par les substitutions de Si4+ par Al3+ et Fe3+ provoquent une augmentation de la résistance de la bridgmanite avec la profondeur31,32,33. Cependant, Al3+ et Fe3+ sont plus susceptibles de former FeAlO3 dans la bridgmanite34. De plus, la contribution de la davemaoite à la rhéologie du manteau inférieur devrait également être limitée en raison de sa faible fraction volumique (et donc de l'absence d'interconnexion)16, bien que la davemaoite soit rhéologiquement plus faible que la bridgmanite35.