Thermal convection in a heterogeneous mantle

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Abstract
Both seismology and geochemistry show that the Earth's mantle is chemically heterogeneous on a wide range of scales. Moreover, its rheology depends strongly on temperature, pressure and chemistry. To interpret the geological data, we need a physical understanding of the forms that convection might take in such a mantle. We have therefore carried out laboratory experiments to characterize the interaction of thermal convection with stratification in viscosity and in density. Depending on the buoyancy ratio B (ratio of the stabilizing chemical density anomaly to the destabilizing thermal density anomaly), two regimes were found: at high B, convection remains stratified and fixed, long-lived thermochemical plumes are generated at the interface, while at low B, hot domes oscillate vertically through the whole tank, while thin tubular plumes can rise from their upper surfaces. Convection acts to destroy the stratification through mechanical entrainment and instabilities. Therefore, both regimes are transient and a given experiment can start in the stratified regime, evolve towards the doming regime, and end in well-mixed classical one-layer convection. Applied to mantle convection, thermochemical convection can therefore explain a number of observations on Earth, such as hot spots, superswells or the survival of several geochemical reservoirs in the mantle. Scaling laws derived from laboratory experiments allow predictions of a number of characteristics of those features, such as their geometry, size, thermal structure, and temporal and chemical evolution. In particular, it is shown that (1) density heterogeneities are an efficient way to anchor plumes, and therefore to create relatively fixed hot spots, (2) pulses of activity with characteristic time-scale of 50–500 Myr can be produced by thermochemical convection in the mantle, (3) because of mixing, no ‘primitive’ reservoir can have survived untouched up to now, and (4) the mantle is evolving through time and its regime has probably changed through geological times. This evolution may reconcile the survival of geochemically distinct reservoirs with the small amplitude of present-day density heterogeneities inferred from seismology and mineral physics. Les données sismologiques et géochimiques montrent que le manteau terrestre est chimiquement hétérogène sur une large gamme d'échelles. De plus, sa rhéologie dépend fortement de la température, de la pression et de la composition chimique. Pour interpréter les données géologiques, nous avons donc besoin de comprendre les processus physiques qui déterminent les figures de convection dans un tel manteau. Nous avons donc étudié, à l'aide d'expériences de laboratoire, l'interaction de la convection thermique avec une stratification en densité et en viscosité. En fonction du rapport de flottabilité B (rapport entre l'anomalie de densité d'origine compositionnelle, qui stabilise le système, et l'anomalie, déstabilisante, de densité d'origine thermique), deux régimes ont été observés : à grand B, la convection demeure stratifiée et des panaches thermochimiques, fixes dans l'espace et le temps, sont générés à l'interface ; à faible B, des dômes chauds oscillent verticalement à travers toute la cuve, tandis que de fins panaches tubulaires peuvent monter de leur surface supérieure. Les instabilités tendent à détruire progressivement la stratification par le brassage qu'elles engendrent. Par conséquent, les deux régimes sont transitoires : une expérience peut très bien débuter dans le régime stratifié, évoluer vers le régime de dômes, pour finir dans le régime classique de la convection de Rayleigh–Bénard, en une seule couche. Appliquée à la convection mantellique, la convection thermochimique peut expliquer un certain nombre d'observations sur Terre, telles que les points chauds, les «superbombements» (ou superswells), ou la survie de plusieurs réservoirs géochimiques. Les lois d'échelles déduites des expériences permettent de prédire les caractéristiques (taille, géométrie, structure thermique, évolution temporelle et chimique) de ces phénomènes. En particulier, elles montrent que : (1) les panaches sont ancrés de manière efficace par les hétérogénéités de densité, ce qui est un bon moyen de générer des points chauds relativement fixes ; (2) la convection thermochimique peut produire des épisodes d'activité (par exemple, volcanique) intense, avec des échelles de temps caractéristiques de 50–500 Ma ; (3) aucun réservoir «primitif» ne peut avoir été préservé intact jusqu'à maintenant, et (4) le manteau évolue et son régime a probablement changé au cours des temps géologiques. Cette évolution temporelle pourrait réconcilier la survie de plusieurs réservoirs géochimiques avec la faible amplitude des hétérogénéités de densité déduites des données actuelles de la sismologie et de la physique des minéraux.