i- cours: structure et dynamique du manteau profond … · la structure et de la dynamique interne...
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Lundis 16h30-18h00 Collège de France
Amphithéâtre Maurice Halbwachs
I- Cours: Structure et dynamique du manteau profond
de la terre
II- Colloque International: 13-14 Novembre 2012
en Anglais
1- Introduction
Barbara Romanowicz - Cours 2012 -Chaire de Physique de l’Intérieur de la Terre
Collège de France 1er Octobre 2012
Structure et dynamique du manteau profond
de la terre
De nombreuses disciplines contribuent à la compréhension de notre planète
Observations de surface et satellitaires
Sismologie
Géodésie
Géomagnétisme
Mesures en laboratoire
Physique et chimie des matériaux terrestres
Rhéologie et déformation des roches
Géochimie/cosmochimie
Géodynamique .
Modélisation expérimentale et numérique de la convection mantellique
Flux de chaleur
Perspectives actuelles-VI • Il est necessaire d’intégrer les différentes
disciplines qui contribuent à la connaissance de la structure et de la dynamique interne
“Blind men and the elephant”
L’intérieur de la terre vue en ~1910
Manteau Noyau liquide Densité moyenne de la terre:
ρ = 5515 kg/m3
Densité des roches en surface: ~ 2600 kg/m3 (granite)
=> densité augmente avec la profondeur => La terre ne peut être entièrement composée de roches I=0.33Ma2, inférieur à celui d’une sphère homogène ( I=0.40Ma2) Emil Wiechert (1896) suggère que la terre est comme un météorite géant avec un noyau de fer-nickel
• Sans s’aider de la sismologie, on peut faire des modèles à deux couches contraints par la masse totale de la terre (M) et son moment d’inertie (I)
• Sismologie globale née en 1889: Ernst Von Reuber Pachwitz identifie un séisme au Japon enregistré à Potsdam sur un instrument basse fréquence destiné à la mesure des marées.
Onde de compression
Onde de cisaillement Non transmise par les liquides
Il existe 2 types d’ondes sismiques (ondes élastiques)
Zone d’ombre pour les ondes P
Shadow zones due to the presence of the liquid core
Preuve de l’existence du noyau: Oldham (1906) Profondeur du noyau ~2900km: Gutenberg (1913)
Zones d’ombre dues à la présence du noyau liquide
Manteau solide
(silicates)
Noyau externe liquide (fer)
Graine solide (fer)
1936 ->1970
Manteau solide
Noyau liquide
L’intérieur de la terre vue en ~1910
- Inge Lehmann découvre la graine (1936)
- Modèles “1D” sismologiques de la Terre - Composition du manteau et du noyau, Birch (1952) -> Preuve de la solidité de la graine, Dziewonski (1971)
Manteau solide
(silicates)
Noyau externe liquide (fer)
Graine solide (fer)
L’intérieur de la terre vue en ~1910
1936 ->1970
~1970
Manteau Noyau liquide
Aujourd’hui…..
Structure 1D de la terre
• Structure sismique-> paramètres élastiques (Vs, Vp, densité)
• Composition minéralogique • Profil de température • Gravité et mesures de rebond post-
glaciaire: profil de viscosité
Zone D”
Modèles de Jeffreys (1939) et Gutenberg (1951) repris par Birch (1952)
manteau noyau
Zone de transiXon
Composition du manteau et du noyau
• Démontre en 1952 que le manteau est composé de silicates, le noyau externe, de fer liquide et la graine, de fer cristallin (Birch, 1952, JGR).
• Propose que la “zone de transition” du manteau (400-660 km): zone où les vitesses sismiques varient rapidement avec la profondeur) correspond à une zone où les roches subissent des transformations de phase en raison de l’augmentation progressive de la pression. Francis Birch – 1903-1992
Birch, 1952
… un changement progressif de composiXon, ou de phase, ou les deux….. Des phases nouvelles sont requises pour expliquer les vitesses élasXques élevées dans la parXe profonde du manteau (plus de 900 km de profondeur), et il est suggéré que, à parXr de 200 à 300 km de profondeur, il y a une transiXon progressive vers les modificaXons de haute pression dans les silicates de magnésium et de fer, sans doute Vers des oxides à structure compacte, et ceae transiXon est achevée vers 800 à 900 km de profondeur
vp =! +
43
µ
!=
" + 2µ!
Vitesse des ondes élastiques de compression (P):
Paramètres élastiques du milieu: K = module d’ incompressibilité ρ = densité μ = module de cisaillement λ, μ, paramètres de Lamé
Vitesse des ondes élastiques de cisaillement (S):
vS =µ!
Mouvement de particules est perpendiculaire à la direction de propagation Ne se propagent pas dans les liquides (µ=0)
vS vP<
Source sismique
StaXons sismiques
Trajets des rais sismiques lorsque la vitesse de propagation augmente avec la profondeur
La présence de gradients forts, tels les discontinuités du manteau supérieur provoque des “triplications”
Source
StaXons
Manteau supérieur
P S
Ondes de surface
Séisme de Loma Prieta (CA) 1989 M 7, observé à KEV, Finlande
SS
•
- Vs,Vp: - Temps de propagation des ondes de volume - Dispersion des ondes de surface - Modes propres de la terre
- Densité: - Modes propres de la terre - Ondes réfléchies: coef. de réflexion dépend de l’impédance ρ x V - Données sur masse (M) et le moment d’inertie (I), équation d’Adams Williamson (hypothèse de compression hydrostatique)
Les données sismiques nous renseignent sur la distribution des paramètres élastiques: Vs,Vp, ρ
53.9’
44.2’
20.9’ δr=0.05m
0T2 2S1
0S3 0S2
0T4
1S2
0S5
0S0
0S4 3S1 2S2
1S3
0T3
Séisme de Sumatra Andaman 12/26/04 Mw 9.3
Courtesy of G. Roult
Depth
Courbes de sensibilité de deux modes propres aux paramètres élastiques, en fonction de la profondeur
Mantle mode Core mode
Limite noyau- manteau
Dziewonski and Anderson, 1981
PRELIMINARY REFERENCE EARTH MODEL (PREM)
Rayon [m]
ICB CMB DisconXnuité “de 670 km”
Rayon de la graine: 1220 km Rayon du noyau externe : 3480 km
Graine (Fer solide)
Noyau externe (fer liquide)
Manteau inférieur
manteau supérieur
Manteau – Silicates solides
Discontinuités de la densité: 1) CMB: 5.57 103- 9.90 103 kg/m3
2) Aux discontinuités de 410 and 660 km (environ 5%) 3) A la limite noyau-manteau : (environ 4%)
Profil de densité -> gravité -> pression en fonction du rayon:
P(r) = ! g(r)!(r)dr0
r
"
1 GPa = 10 kbar ou 1 atm =105 Pa
410 km: P= 13.3 GPa 660 km: P= 23.8 GPa CMB: P = 136 GPa ICB: P = 329 GPa Au centre: P = 364 GPa
Deux types de données pour l’étude des discontinuités du manteau supérieur
* Ondes réfléchies * Sous les continents et océans
* Ondes converties * Seulement sous les stations
Shearer, 1991
Traces sismiques juxtaposées – Composante transverse
Distance (degrés) Distance (degrés)
Structure 1D de la terre
• Structure sismique-> paramètres élastiques (Vs, Vp, densité)
• Composition minéralogique
Composition de l’intérieur de la terre
• Constraintes: extra-terrestres – Nucléosynthèse – Météorites
• Constraintes: roches terrestres – Xenolithes – Sources de Magma
• Constraintes: Intérieur – Propriétés physiques
• Fractionation importante – Terre-hydrosphère-espace – Croûte-manteau-noyau
• Informations directes sur les profondeurs <200 km
• A plus grande profondeur: – On considère une composition chimique moyenne donnée
– On détermine la minéralogie en fonction de la profondeur par des expériences à haute pression
– On calcule les paramètres élastiques (physique des matériaux) – On compare avec les modèles sismiques de référence (e.g. PREM)
• La zone de transition fournit ainsi des contraintes importantes avec les discontinuités sismiques dont les caractéristiques nous renseignent sur la proportion des différents minéraux et la température à la profondeur de la discontinuité.
• Progrès rapides récents grâce à l’amélioration des mesures expérimentales, développement de techniques nouvelles.
Dispositifs expérimentaux haute pression
Multianvil
Piston cylinder
Diamond Anvil Cell
Shock Gun
26 GPa 2000 K
135 GPa 3000-4000 K
330 GPa 5000-7000 K
364 GPa >7000 K?
Modèle conceptuel d’un dispositif de haute pression pour des expériences sous différentes conditions de température et de pression.
Presse à cellule de diament (DAC)
6-8 “Kawai-type” LVP Multianvil 6 outer and 8 inner anvils
32-mm WC cubes with inner corners truncated
Octahedral MgO pressure cell
500-5000 tonnes force
Composition du manteau • Roches du manteau observées en surface:
– Manteau supérieur composé principalement de péridotites: olivine, clinopyroxène, orthopyroxène, plus phase riche en Al: grenat
– En accord avec la sismologie, bien que des incertitudes subsistent dues aux processus dynamiques et hétérogénéités latérales dues à un mélange imparfait
• Constituant principal: l’olivine • Forsterite (Fo) Mg2SiO4 • Fayalite (Fa) Fe2SiO4
– “manteau moyen”: très forsteritic : Fo91-Fo94 • 91= 91% de Mg dans (Mg,Fe)2SiO4
• Autres minéraux principaux du manteau: – Orthopyroxene (Opx) (Mg,Fe)SiO3 – Clinopyroxene (Cpx) Ca(Mg,Fe)Si2O6
• Températures de fusion sont telles que le manteau est solide
• L’olivine subit des transformations de phase vers des structures plus denses à des pressions équivalentes aux profondeurs de ~400km, ~520 km et ~670 km.
– 400-670km: “zone de transition” du manteau
• A 400 km: Olivine (α) -> spinel (β) – Transformation de phase exothermique (dégage de la chaleur) Pente de
Clapeyron de 2-3MPa/K
• A 520 km: – (β)-> (γ) (wadsleite -> ringwoodite) – Moins d’effet sur les vitesses sismiques
• A 670 km: – (γ)-> perovskite (Mg,Fe)SiO3+magnesiowüstite (Mg,Fe)O – Endothermique (pente de Clapeyron négative (-2-6 MPpa/K) – Augmentation de densité de ~10%
La pyrolite est une roche synthétique inventée par Ringwood pour servir de modèle de référence pour la constitution du manteau supérieur et Inférieur. Cette composition est acceptée en général pour la partie superficielle du manteau. Plus la profondeur augmente, plus il y a de divergences entre différents auteurs. En particulier, la question de la composition uniforme ou non du manteau est actuellement débattue vivement.
Pyrolite : composition du manteau supérieur
Diagrammes de phase
Deux modèles différents pour la composition du manteau supérieur Ils se distinguent par la proportion d’olivine
Frost, 2008
Pentes de Clapeyron et profondeurs moyennes des discontinuités de la zone de transition
-> Nous apportent des contraintes sur les températures aux profondeurs des discontinuités
Effet de l’eau sur les transitions de phase du manteau
Fukao, 2009 D’après Litasov et al., 2006
La wadsleyite et la ringwoodite peuvent renfermer jusqu’à 3% d’eau
+
Mineral sequence II"
Composition du manteau inférieur
(Mgx,Fe(1-x))O"(Mg(1-x-z),Fex, Alz)(Si(1-y),Aly)O3"
+
CaSiO3"
Mg/Fe perovskite Ca-‐ perovskite oxide
M Murakami et al. Science 2004;304:855-858
MgSiO3 perovskite
MgSiO3 post-‐perovskite
2004: Découverte de la post-perovskite aux conditions de T and P correspondant à la base du manteau (120 GPa, 2500oC)
N= New phase
Mineralogie du manteau
post
-per
ovsk
ite?
(Mg,Fe)O - ferropericlase
(Mg,Fe,Al)-MgSiO3 perovskite
CaSiO3 - perovskite
(Mg,Fe,Al,Ca)-‐ silicates
Courtesy of S. Sinogeikin
" 200-300 km au dessus de la CMB " 0.5-3% saut de vitesse Vs " en accord avec la transition vers la phase post-perovskite
Lay et al. [EOS, 2005] Lay et al [PEPI, 2004]
e.g., Murakami et al. [Science, 2004] Oganov and Ono [Nature 2005]
Sismologie: Physique des matériaux:
Transition perovskite-à-post-perovskite et discontinuité en haut de la D”
Silicate mantle Mostly Mg
Iron rich core
ComposiXon déterminée à parXr de la sismologie, les considéraXons de densité, et les mesures de laboratoire sur le comportement des roches terrestres à haute pression et haute température
Structure 1D de la terre
• Structure sismique-> paramètres élastiques (Vs, Vp, densité)
• Composition minéralogique • Profil de température
Profil de température dans le manteau: géotherme
• Profil en moyenne adiabatique sauf dans les couches limites de la convection – Près de la surface – Près de la CMB – Couche limite intermédiaire à 670 km de profondeur??
• Température potentielle (Tp) du manteau océanique: – composition des MORBs, flux de chaleur et données bathymétriques
• A plus grande profondeur, température “fixée” aux profondeurs des discontinuités sismiques/minéralogiques – En spécifiant un modèle minéralogique (en général, la pyrolite) – En particulier: la discontinuité de 400 km a une pente de Clapeyron
importante (4MPaK-1) ce qui contraint la température de manière précise-> Tp~1550-1650 K en bon accord avec les estimations des MORBs et flux de chaleur
MORB= Mid ocean ridge basaltes – Basaltes des rides médio-océaniques
Jaupart et al., 2007, ToG Pour différentes valeurs du paramètre de Gruneisen
Tp~1550-‐1650 K
Températures à la base du manteau: Extrapolations par le haut à partir des transitions de phases du manteau supérieur:
• T à la CMB déterminée: – Par le dessus: en continuant le géotherme
isentrope: ~2400-2700 K à 2700 km de profondeur – Par le dessous: à partir de l’ICB (fusion du fer, en
tenant compte des éléments légers) et en continuant vers le haut de manière isentrope:
– > Tcmb 3300-4300K
– Pv->pPv transition: – 2400K a 119 Gpa, et DP/DT 11.5+/0 1.4 MPaK-1 (Hirose,
2006)->3800-4200 K
Températures absolues dans le manteau profond:
Saut de température de 500 à 1500 K à travers la couche limite
Manteau
Noyau
Courbe de fusion du manteau Inférieur
Steinberger and Calderwood, 2006
Profil de température du manteau
Structure 1D de la terre
• Structure sismique-> paramètres élastiques (Vs, Vp, densité)
• Composition minéralogique • Profil de température • Gravité et mesures de rebond post-
glaciaire: profil de viscosité
• Rhéologie en loi de puissance:
– vitesse de deformation – σ contrainte – H enthalpie d’activation – R constante des gaz universelle – T température – C1 constante (dépend de la taille des grains)
• Alors, la viscosité η s’exprime comme suit:
N=1 pour rhéologie Newtonienne (diffusion- manteau inférieur?) N~3.5 pour rhéologie de dislocation
!!
!! = C1"n exp(! H
RT)
! ="2 !#
= !#1n!1
•1
2C1
1n
exp( HnRT
)
• Variations importantes dans le manteau dues aux variations de température, chimie, phase, taille des grains etc…
!(T, p) = Aexp HRT!
"#$
%&
Viscosité du manteau • Déterminée par:
• La physique des matériaux: – Type de déformation (rhéologie de diffusion/
dislocation) – η depend de la température, taille des grains,
contenu en eau… effets peu contraints!
• Mesure du rebond post-glaciaire: – Depuis Haskell (1935) 1021 Pa-s en moyenne – Plus récemment: augmentation de la viscosité avec
la profondeur – Détails non résolus, et pas de sensibilité aux
grandes profondeurs (h >1400 km)
Exemple de noyau de sensibilité du rebond post-glaciaire à la viscosité, en fonction de la profondeur
Mitrovica, 1996
Modélisation de l’écoulement dans le manteau:
- On fixe les distributions de densité, de viscosité.. - Par comparaison avec les observations de mouvements de plaques, géoide, contraintes, flux de chaleur, on peut contraindre la viscosité - Seul résultat robuste: augmentation importante de la viscosité avec la profondeur - Plus récemment: on ajoute des variations latérales de viscosité dans les premiers 300 km et près de la CMB ce qui améliore l’accord avec le géoide (Cadek and Fleitout, 2003, 2006)
Viscosité du manteau
• Modélisation conjointe du géoide et du rebond post glaciaire et des contraintes de: – Flux de chaleur – Mouvements de plaques – Topographie de la CMB et contraintes
lithospheriques – Topographie dynamique
• Le géoide reste la contrainte principale (la mieux connue)
Profil de viscosité du manteau
• Steinberger and Calderwood (2006): – Modèle de viscosité et conversion vitesses sismiques/densité
basés sur les résultats de la physique des matériaux
– η(r) et ρ(r) (tomographie sismique) écoulement dans le manteau
– Calcul du géoide prédit par la distribution de densité et les déformations des discontinuités de structure
– On ajuste η(r) en minimisant la différence entre le géoide observé et prédit, en s’assurant que le profil de viscosité est compatible avec les données de rebond post-glaciaire et le profil radial de flux de chaleur
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