Comment se comportent les cristaux dans un océan magmatique en convection ?

Suite à l'impact géant qui a formé le système Terre-Lune, le manteau terrestre a probablement subi un épisode de fusion majeur formant un océan magmatique de plusieurs centaines de kilomètres d'épaisseur. Lors de la solidification de cet océan magmatique, les premiers cristaux se sont déposés en profondeur ou ont été efficacement mélangés au magma. Ce processus a joué un r?le déterminant dans la composition chimique du manteau primitif. Des chercheurs du Laboratoire Magmas et Volcans ont développé des modèles numériques pour suivre l'évolution d'une fine couche de cristaux dans un océan magmatique. Ces modèles caractérisent l'influence de la taille des cristaux, de la viscosité du magma et de la différence de densité entre les cristaux et le magma. Ces modèles confirment l'efficacité du mélange des cristaux dans l'océan magmatique. En effet, leurs résultats montrent que la valeur critique du rapport des contraintes de convection et de flottabilité séparant les régimes de sédimentation et de suspension peut être inférieure à 0,1. Par conséquent, au cours de la cristallisation précoce d'un océan magmatique, la suspension devait être le processus dominant.

Cette étude contraint aussi la possibilité d'une ségrégation de la bridgmanite en comparant la différence de densité entre l’océan magmatique et les cristaux solides pour différentes compositions chimiques et la différence de densité critique au-dessus de laquelle la ségrégation des cristaux est susceptible de se produire. Pour cela, les auteurs ont défini l'ensemble des paramètres pertinents, y compris les équations d'état P-V-T d’un mélange où coexistent du magma et des cristaux de bridgmanite. Les auteurs observent qu'il est peu probable que les grains de bridgmanite ségrégent dans un manteau de composition pyrolitique. Cependant, la ségrégation de la bridgmanite est plus susceptible de se produire au fond d'un océan magmatique enrichi en SiO₂ par rapport à la pyrolite. Lorsqu'une couche en cours de solidification contient 60 % de bridgmanite et 40 % de matière fondue, il est possible d’observer un enrichissement significatif en SiO₂ avec l'augmentation de la profondeur dans un manteau primitif. Ce résultat est compatible avec les observations sismiques et géochimiques.
 

Pour plus d’informations  : https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2023JE007805

J. Monteux, Qaddah, B., Andrault, D. (2023), Conditions for segregation of a crystal-rich layer within a convective magma ocean, Journal of Geophysical Research Planets, https://doi.org/10.1029/2023JE007805.