The transport properties of Earth’s upper mantle materials : insights from in situ HP-HT experiments

par Damien Freitas

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers

Sous la direction de Denis Andrault et de Geeth Manthilake.

Soutenue le 12-12-2019

à Clermont Auvergne , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire Magmas et Volcans (laboratoire) .

Le président du jury était Didier Laporte.

Le jury était composé de Eric Debayle, Muriel Laubier, Jean-Philippe Perrillat.

Les rapporteurs étaient Hélène Bureau, Yanbin Wang.

  • Titre traduit

    Les propriétés de transport des matériaux du manteau supérieur terrestre, enseignements des expériences in situ à HP et HT


  • Résumé

    Les propriétés de transport des roches mantelliques sont des paramètres importants pour interpréter aussi bien qualitativement que quantitativement les informations géophysiques, telles que la vitesse des ondes sismiques, les flux de chaleurs et les profils magnétotelluriques terrestres. L’origine des anomalies géophysiques du manteau supérieur, comme la zone de faible vitesse (LVZ ; 70-150km de profondeur) et le niveau de faible vitesse (LVL ; 350-410 km de profondeur), est peu renseignée et demande des contraintes expérimentales. Au cours de cette thèse, nous avons étudié les propriétés électriques, sismiques et thermiques des péridotites solides et partiellement fondues via le développement de techniques géophysiques in situ. Nos expériences à hautes pressions et températures, en presse multi-enclumes, nous ont permis d’établir les effets de la fusion sur ces différentes propriétés physiques aux conditions mantelliques. Nous avons, pour la première fois, réalisé des mesures combinées de conductivité électrique et de vitesses des ondes sismiques en une seule et même expérience. Grâce à cette technique, nous avons réconcilié les mesures du taux de fusion impliquées dans la LVZ estimées par les deux signaux géophysiques avec 0.3-0.8%vol de fusion partielle. L’équilibre textural entre les phases liquides et solides s’est révélé être fondamental pour la comparaison des mesures en laboratoire. Nous avons ensuite procédé à la première reproduction de fusion par déshydratation durant l’ascension des péridotites hydratées depuis la zone de transition mantellique vers le manteau supérieur (entre 12 et 14 GPa). Au cours de la fusion partielle, les signaux sismiques et électriques mesurés sont comparables aux observations géophysiques confirmant l’hypothèse de fusion au niveau de la LVL. Les taux de liquides impliqués à la base du manteau supérieur seraient alors modestes (< 2 %vol). La composition des magmas produits précise le rôle de filtre chimique de ce niveau situé entre les manteaux supérieur et profond. La densité estimée du magma confirme sa flottabilité neutre, favorisant la stabilité de ce niveau au cours des temps géologiques. Les analyses des éléments volatils et les modélisations des transferts d’hydrogène prouvent que ce niveau est un réservoir potentiel d’eau profond et favorise l’hypothèse d’une hydratation par la base du manteau supérieur. Enfin, des méthodes de mesure de diffusivité thermique (Angström, pulse) ont été adaptées à la presse multi-enclumes du LMV. Des procédures de traitement et des modélisations des transferts thermiques ont été développées Les premières mesures de diffusivité thermique de verres et liquides réalistes aux conditions mantelliques ont pu ainsi être réalisées. De plus, la caractérisation d’échantillons aux structures variées a pu être effectuée à l’aide de la méthode Angström (périclase, olivine, péridotite partiellement fondue).


  • Résumé

    The transport properties of mantle rocks are key parameters to qualitatively and quantitatively interpret direct and indirect geophysical information such as seismic velocities, heat fluxes and electromagnetic profiles across Earth’s and planetary interiors. The origins of upper mantle geophysical anomalies such as the Low Velocity Zone (70-150 km deep) and the Low Velocity Layer (350-410 km deep) are poorly known and require experimental constraints. In this PhD thesis, we have explored the electrical, seismic and thermal properties of realistic solid and partially molten peridotites via the development of geophysical in situ techniques. Performed at high pressures and temperatures in multi-anvil apparatus, our experiments allowed the characterization of the effect of melting on these different physical properties at mantle conditions. We performed the first experimental combination of electrical conductivity and sound wave velocity in a single multi-anvil experiment. Thanks to this technique, we reconciled electrical and seismic estimations of the melt fraction implied in the LVZ with 0.3-0.8 Vol.% of partial melting. The textural equilibration between melt and solid phases was found to be crucial for the comparison of laboratory estimations. We then realized the first reproduction of the dehydration melting process during the ascend of hydrous peridotites from the mantle transition zone to the upper mantle, between 12 and 14 GPa. Measurements during partial melting gave acoustic and electrical signals comparable to geophysical observations favoring partial melting explanation of the LVL anomaly. The implied melt fractions at upper mantle base were quantified to be moderate (<2 Vol.%). The chemical composition of produced melts confirmed the role of chemical filter of this melt layer located between upper and deep mantle. The calculated density confirmed the neutral buoyancy of the melt layer, making it a stable feature over geological times. Volatiles analyses and hydrogen transfer modeling confirmed this layer as a potential deep water reservoir and favored a bottom-up hydration of Earth’s upper mantle. Thermal diffusivity characterization techniques (Angström and pulse heating methods) were adapted to the LMV multi-anvil apparatus. Improved treatment procedures were elaborated for thermal transfer characterization under HP and HT conditions. The first thermal diffusivity characterization of glasses and melts at realistic mantle conditions were performed. In addition, thermal diffusivities of various samples (periclase, olivine, peridotite) were investigated with different structures (solid, solid+melt etc.) using Angström method.


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