Blanc SIMI 6 - Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Système Terre, environnement, risques

Le devenir des volatils et les conductivités électriques du manteau connectés par les carbonatites – ELECTROLITH

Les conductivités électriques du manteau terrestre tracent-elles le cycle profond des volatils

C’est un projet sur le manteau terrestre : Il s’agit de mieux relier les progrès récent sur le cycle géochimique profond des constituants volatils tel que le carbone et l’eau à leur signature géophysique, en particulier, la conductivité électrique du manteau et ses variations latérales et verticales. Ce projet implique de l’expérimentation haute-pression, du calcul en dynamique moléculaire et de la géophysique de terrain.

Reconcilier les observations sur la pétrologie et la géophysique du manteau terrestre par les consituants volatils CO2 et H2O

La pétrologie du manteau terrestre permet d'identifier les zones profondes où la fusion partielle est attendue; la géophysique permet de visualiser des zones dont les caractéristiques physiques peuvent être traduite en terme de fusion partielle. Le problème est que ces interprétations sont non-uniques, et que les régions du manteau où la géophysique voit des anomalies ne correspondent pas toujours aux prédictions des pétrologues, et vice versa. <br />Notre objectif est de réconcilier ces deux approches en reunissant sous le projet ElectroLith des specialistes mondiaux des questions de pétrologie, de mesures expérimentales hautes pressions, de modèle thermodynamique, de modèle de dynamique moleculaire, et de modèles géophysiques. Le pari est double puisqu'il demande de l'acquisition de données nouvelles par chacun des partenaires et une convergence dans l'interprétation demandant la mise en place d'outils de dialogue efficace entre chercheurs specialistes et trans-disciplines.

L'approche d'ElectroLith est intégrative en ce sense qu'elle impose une méthodologie jointe et convergente entre différentes méthodologies et différentes échelles:
1- La connaissance fine de la structure atomique des liquides de fusion partielle du manteau en présence de CO2 et H2O par approche expérimentale
2- La connaissance fine des structures et propriétés de ces memes liquides par calcul de dynamique moléculaire
3- La mesure en laboratoire de conductivité électrique de roche et liquide de fusion partielle du manteau
4- Mesure et modèle géophysique de la structure électrique deu manteau
5- Intégration transdisciplinaire et trans-échelle des observations des activitées de 1 a 4. Avec une activité de modélisation des

Task 1. Premières expériences du projet sur le partage chimique entre liquides silicate-carbonate immiscibles ; et test de faisabilité du modèle thermodynamique sur les liquides carbonatés-silicatés.
Task 2. Premier calculs par simulation de dynamique moléculaire ab initio du carbonate de calcium fondu ainsi que de deux magmas silicatés possédant une forte concentration de CO2 (20 % en masse). Mise en place et calibration des potentiels permettant par la suite des calculs en dynamique moléculaire moins couteux en temps mais permettant d’investiguer un vaste champ de propriétés, compositions et conditions.
Task 3. Après la mise en place du protocole (rapport à 6 mois). Nous avons validé et fourni les premiers résultats de conductivité électrique sur des carbonates fondus jusque 3 GPa et 1650°C.
Task 4. L. Hashim, doctorant Orléans, est allé a Clermont Ferrand du 09/01/2012 au 30/03/2012 : réalisation de 10 expériences en piston-cylindre entre 1 et 3 GPa.
Task 5 : Etape de test de sensibilité sur le modèle de conductivité sous la ride du East-pacific rise. Cette étape, très longue est une première mondiale dans le domaine de l’électromagnétisme, et elle est indispensable pour pouvoir mener des discussions et bien utiliser les données fournies par les tasks 1 a 4.

Nous avons des difficultés dans la task 4 qui demande une ré-orientation de la thèse de L Hashim. Cet ajustement se fait à la marge et ne remet pas en cause les objectifs globaux du projet.

F. Gaillard, Scaillet B., and Arndt N.T. (2011) Atmospheric oxygenation caused by a change in volcanic degassing pressure, Nature, 478, 229-232.
Carrichi L., F. Gaillard, Mecklenbugh J., Le Tronc E. (2011) Deformation-induced melt redistribution an

Les fluides, porteurs d’éléments volatils, sont fondamentaux dans la dynamique du manteau car ils affectent les propriétés physiques des roches qui le composent, en particulier, leur conductivité électrique. Le rôle et la nature des fluides mantelliques qui contrôlent la dynamique du manteau terrestre ne sont pas élucidés parce que les différentes méthodes d’étude apportent des réponses divergentes. L’objectif de ce projet est d’élaborer un modèle unique réconciliant les observations géophysiques et géochimiques.

Les observations géochimiques ont depuis plusieurs décennies désignées les carbonatites (magmas carbonatés) comme le fluide mantellique le plus important en dehors des zones de subduction. Leur existence est permise par les conditions pression-temperature-redox régnant dans la plupart des régions du manteau, en particulier sous les rides océaniques et au niveau des points chauds. Les carbonatites sont impliquées dans la formation du diamant.
Cependant, en raison de leur rareté à la surface du globe, et du manque flagrant de données fiables sur leurs propriétés physiques et de leur impact sur celles des roches du manteau, ces carbonatites ne sont pratiquement pas prises en considération par la communauté géophysique. Actuellement, seule l’eau et les défauts que son incorporation entraîne dans les minéraux mantelliques tels que l’olivine, sont pris en compte dans la modélisation des propriétés géophysiques du manteau. Pourtant, l’explication des anomalies géophysiques du manteau par l’eau et son effet sur les propriétés des roches mantelliques semble insatisfaisante. De plus, la nature des fluides profonds telle que révélée par les gaz volcaniques indique que la complexité chimique doit être augmentée, intégrant en particulier le carbone et donc les carbonatites. Récemment, dans un effort de réconciliation des observations géochimiques et géophysiques, le porteur du projet a montré que les carbonatites présentent des conductivités électriques très élevées impliquant que les fortes conductivités mesurées dans certaines régions du manteau sont liées à la percolation de magmas carbonatitiques aux joints des grains de la roche.

Ce projet vise à renforcer et élargir le modèle des carbonatites avec comme objectif global de réconcilier les observations géochimiques (le cycle des volatils profonds) et géophysiques (les conductivités électriques du manteau). ELECTROLITH rassemble des physiciens théoriciens, spécialistes de la dynamique moléculaire des fluides profonds, des expérimentalistes, spécialistes de la fusion partielle et de la mesure électrique en laboratoire, et des géophysiciens, spécialistes de l’électromagnétisme et des conductivités électriques du manteau. Chaque groupe de recherche apporte son expertise à l’étude des carbonatites du manteau, de leur impact sur les propriétés physiques des roches du manteau et de leur rôle dans le devenir et le transfert des volatils profonds.
Cet objectif sera atteint en produisant des données clefs sur: 1-les propriétés physiques des carbonatites en pression et température, 2- leur rôle dans le stockage et le transfert des volatils, 3- leur impact sur les propriétés de transport des roches du manteau telles que la conductivité électrique, la perméabilité, la viscosité et comment ces paramètres sont influencés par la déformation. Enfin, 4- des modèles de conductivité électrique du manteau à partir de mesure de terrain dans des environnements géodynamiques pertinents seront obtenus et quantifiés grâce aux résultats sur les propriétés physiques des carbonatites, conduisant ainsi à déterminer des propriétés clefs du manteau comme sa température, sa perméabilité, son contenu en fluides.

Par cette étude multi-échelles (atome-manteau) et multidisciplinaire (physique théorique, expérimenation pression-température, géophysique de terrain), ELECTROLITH offrira une vision globale du cycle des volatils mantelliques intégrée dans le contexte général de la géodynamique.

Coordinateur du projet

Monsieur Fabrice GAILLARD (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - Délégation Centre - Poitou Charentes) – fabrice.gaillard@cnrs-orleans.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UBO UNIVERSITE DE BRETAGNE OCCIDENTALE
UPMC UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE (Paris 6)
LMV UNIVERSITE BLAISE PASCAL - CLERMONT-FERRAND II
CNRS-ISTO CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - Délégation Centre - Poitou Charentes

Aide de l'ANR 450 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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