Séminaire - La fusion par déshydratation au-dessus de la discontinuité à 410-km et ses implications sur la structure et la chimie du manteau supérieur terrestre - Damien Freitas

Lundi 17 février 2020 à 10 h 30

Salle de Conférence, 4^e étage, Tour 22-23, Salle 401 IMPMC, Université P. et M. Curie, 4, Place Jussieu, 75005 Paris

Damien Freitas - Laboratoire Magmas et Volcans, Clermont-Ferrand

Résumé

Le niveau de faible vitesse sismique (LVL) détecté au-dessus de la discontinuité à 410 km a été attribué à la présence de fusion par déshydratation due au différentiel de solubilité en eau entre l’olivine et ses polymorphes de haute pression: wadsleyite et ringwoodite (Revenaugh and Sipkin, 1994; Bercovici and Karato, 2003;Toffelmier and Tyburczy, 2007; Tauzin et al., 2010). Durant ma thèse, encadrée par G.Manthilake et D. Andrault au LMV à Clermont-Ferrand, nous avons reproduit expérimentalement (en presse multi-enclumes) la transition de phase olivine-wadsleyite ayant lieu dans le manteau remontant au-dessus de la 410’ et mesuré in situ la vitesse des ondes sismique et la conductivité électrique pendant la fusion partielle de péridotites hydratées.

Les diminutions des vitesses sismiques observées indiquent qu’une diminution globale de Vs (-4 %) peut être expliquée par <1% de fusion partielle à la base du manteau supérieur. Les liquides produits sont enrichis en fer et en eau et leur flottabilité neutre. Les conductivités électriques mesurées nous ont également permis d’interpréter les profils magnétotelluriques avec une absence de fusion entre 180-350 km et de tester si la fusion entre 350 et 410 km peut être responsable de l’hydratation du manteau supérieur.

En effet, le manteau résiduel de la fusion à la LVL est susceptible de contenir une quantité significative d’eau selon le contenu initial de la zone de transition et la concentration dans le liquide. Cette eau résiduelle pourrait contribuer à l’hydratation du manteau supérieur par diffusion ou remontée des résidus. Nos modélisations ont montré que la diffusion n’est pas capable d’expliquer les contenus en eau actuels du manteau supérieur (50-200 ppm). En revanche, la fusion à la LVL d’une roche la zone de transition ayant moins de 1500 ppm d’eau peut produire de tels résidus. Ceux-ci peuvent, en remontant, remplacer graduellement les roches du manteau supérieur en moins de 260 Ma.

Afin de concilier les observations géophysiques, géochimiques et pétrologiques, nous proposons un nouveau modèle de circulation des éléments pour le manteau supérieur dirigé par la fusion à 410 km. Celui-ci semble dépendre fortement du contenu initial/local de la zone de transition. La fusion hydratée observée dans l’asthénosphère (LVZ, etc.) apparaît alors comme une conséquence de la remontée et de la saturation des résidus produit à la LVL.

Dehydration melting at the 410-km discontinuity and its implication on Earth’s upper mantle structure and chemistry

Abstract

The low velocity layer (LVL) atop the 410-km discontinuity has been widely attributed to dehydration melting due to the large solubility difference between olivine and its high pressure polymorphs: wadsleyite and ringwoodite (Revenaugh and Sipkin, 1994; Bercovici and Karato, 2003; Toffelmier and Tyburcy, 2007; Tauzin et al., 2010). During my PhD under the direction of G. Manthilake and D. Andrault, we experimentally reproduced the wadsleyite-to-olivine phase transformation in the upwelling mantle across the 410-km discontinuity and investigated in-situ the sound wave velocity and electrical conductivity during partial melting of hydrous peridotite with multi-anvil apparatus.

Our experimental seismic velocity decrease indicates that the globally observed negative Vs anomaly (-4 %) can be explained by a <1 % melt fraction in peridotite at the base of the upper mantle. The produced melt is enriched in FeO and H₂O and its density is determined to be neutrally buoyant.

Electrical conductivity measurements over an extended pressure range (200-400 km) helped into the interpretation of magnetotelluric profiles and explore whether melting at the 410-km depths is responsible for the hydration of the upper mantle. Our data demonstrate that the mantle at 180-350 km depth is mostly melt free, confirming the H₂O under-saturated conditions.

However, residual mantle from partial melting atop the 410 km may contain various amounts of water according to the initial mantle transition zone and melt concentrations. This residual H₂O could contribute to the hydration of the upper mantle through diffusion or material replacement by upwelling. Our calculations suggest that the diffusion may not be responsible of upper mantle present H₂O concentrations (50–200 ppm wt.). Melting of the upwelling mantle transition zone with less than 1500 ppm wt. H₂O produces residual peridotites with ~ 200 ppm H₂O at the 410-km discontinuity. Continuous upwelling of such hydrous residues would gradually replace the dry upper mantle with depleted residual hydrous peridotites.

To conciliate these new insights on Earth’s upper mantle structure, we propose a new circulation model which may explain geophysical, geochemical and petrological observation. We thus propose a bottom-up hydration mechanism for the upper mantle driven by dehydration-melting at the 410-km discontinuity and that rely importantly on mantle transition zone water content. The hydrous partial melting at the top of the asthenosphere (LVZ) appears to be a consequence of H₂O saturation in the upwelling residual peridotites.