Soutenance de thèse de Rémy Pierru

Résumé :

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 man- teau 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 sismolo- giques 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 ques- tion 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 compo- sitions (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 obtenues in- diquent 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 tempé- rature du solidus et du liquidus significativement plus bas que ceux rapportés précédemment pour le manteau supérieur. Une température du manteau environ 100 K plus élevée qu’aujourd’hui indui- rait de la fusion partielle dans une large gamme de profondeur du manteau supérieur. Les nouvelles contraintes sur les propriétés de fusion permettent d’affiner le type de ségrégation chimique qui au- rait pu se produire au début de la Terre. Les différents résultats obtenus nous permettent finalement de discuter de la fusion du manteau au cours de l’histoire de la Terre.

Finalement, dans cette étude, nous identifions les conditions mantelliques correspondant aux grandes provinces ignées et aux komatiites, en nous basant sur une étude expérimentale de la fusion du manteau pyrolitique. Les comparaisons entre les liquides expérimentaux et les laves naturelles montrent que la profondeur de la source mantellique diminue de 600-700 km pour les plus anciennes komatiites, à faible teneur en aluminium et à 100-300 km pour les picrites et les basaltes. Des tempé- ratures mantelliques 200 à 300 K plus élevées qu’aujourd’hui, comme le suggère la composition des laves anciennes, induiraient la fusion partielle à des profondeurs d’environ 200 à 400 km. En se basant sur un modèle géodynamique, nous montrons que les profondeurs des sources des laves et les taux de fusion élevés du manteau (de 10 à 50 %) sont bien compatibles avec un gradient de température super- adiabatique prévalant dans le manteau profond plusieurs milliards d’années après la solidifi- cation de l’océan magmatique global. Des remontées sporadiques de grands panaches mantelliques pourraient être associées à la descente de plaques subductées, suite à l’établissement progressif d’une convection mantellique globale au cours de l’Archéen.

Jury de thèse :