Convection à l’état solide et mélange du manteau martien avant la solidification complète de son océan magmatique

Une équipe internationale de chercheurs incluant un chercheur de l’IRAP (Université Paul Sabatier de Toulouse & CNRS) publie les résultats d’une étude consacrée à l’évolution thermo-chimique précoce du manteau Martien. La figure issue des simulations numériques effectuées dans le cadre de cette étude a été sélectionnée pour orner la page de couverture de l’édition de Mars 2017 du Journal of Geophysical Research : Planets, une revue de l’AGU (American Geophysical Union).

Au début de leur histoire, les planètes telluriques ont vraisemblablement eu une grande partie, voire la totalité de leur manteau rocheux fondu en raison des grandes quantités de chaleur dégagées lors de leur formation. Ces océans magmatiques de roches en fusion ont pu se solidifier en quelques milliers d’années. Cette solidification conduit à un manteau chimiquement stratifié avec un matériau léger en profondeur et un matériau plus lourd (car enrichi en fer) près de la surface. Les précédentes études ont montré que cette configuration gravitationnelle instable provoque un renversement global, conduisant à une configuration stratifiée stable. Celle-ci peut empêcher les mouvements plus profonds de l’intérieur rocheux (convection à l’état solide).

Pourtant, dans le cas de Mars, la présence de grandes provinces volcaniques, avec des preuves du volcanisme récent, suggère une dynamique interne de longue durée de son manteau, un scénario difficile à réconcilier avec celui d’un manteau stablement stratifié et immobile.

La solidification d’un océan magmatique peut également être accompagnée de la formation d’une épaisse couverture atmosphérique isolante constituée d’eau et de dioxyde de carbone. Celle-ci ralentit considérablement le refroidissement du manteau fondu  car elle permet, par effet de serre, de maintenir une température  élevée en surface pendant plusieurs millions d’années. Nos simulations numériques montrent que pour un océan magmatique qui se refroidit lentement, la convection peut se développer dans un manteau hétérogène en cours de solidification et commencer à le mélanger alors que l’océan magmatique qui le recouvre poursuit sa solidification (Figure). Contrairement au scénario traditionnel, aucune configuration fortement instable n’est atteinte à la fin du stade  d’océan magmatique. Au contraire, la planète qui en résulte possède un manteau partiellement homogène et plus faiblement stratifié en densité, qui lui permet de maintenir la convection à long terme, en accord avec les observations.

Evolution d’un manteau Martien à partir d’un océan magmatique qui se solidifie progressivement sur 10 Ma. Ce refroidissement relativement lent permet au manteau solidifié de convecter en mélangeant les hétérogénéités compositionnelles issues de la cristallisation de l’océan magmatique, alors que l’océan magmatique à sa surface poursuit sa solidification. Il en résulte un manteau relativement homogène avec une faible stratification en densité qui permet à la convection à l’état solide de se maintenir sur plusieurs milliards d’années, comme les traces récentes de volcanisme à la surface de Mars le suggèrent.

Ressource complémentaire

  • Publication scientifique : Onset of solid-state mantle convection and mixing during magma ocean solidification, by M. Maurice et al.  Maurice_etal_2017.pdf 1,80 MB

Contact IRAP

  • Henri Samuel, henri.samuel@irap.omp.eu

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