Les mystères de la couche D’’

Résultat scientifique Terre Solide

La couche D’’, région de 200 km d’épaisseur située entre le manteau et le noyau terrestre, présente une structure complexe et encore mal comprise, notamment parce que les observations sismiques rentrent en contradictions avec les effets minéralogiques attendues. Afin de lever le voile sur ce mystère, des chercheurs1 ont étudié les cinétiques des transformations minéralogiques présentes dans la couche D’’. Leurs résultats permettent ainsi de réconcilier les mesures de minéralogie expérimentale et sismologie, ouvrant la voie à une meilleure compréhension de la dynamique du manteau profond.

  • 1. Issus en France de l’Unité Matériaux et Transformations (UMET, Université de Lille / CNRS), du Laboratoire Magmas et Volcans (LMV, Université Clermont-Auvergne / CNRS / OPGC / IRD) et du Laboratoire de Géologie de Lyon - Terre, Planètes, Environnement, (LGL-TPE, CNRS / ENS Lyon / Université de Lyon), ainsi que de l’université de Münster et de la source synchrotron PETRA III/DESY à Hambourg.
La couche D’’ (ici en orange) est une couche hétérogène d’environ 200 km d’épaisseur au-dessus de l’interface entre le manteau et noyau.

Le manteau terrestre, est le géant à l’intérieur de notre Terre : d’une épaisseur de 2900 km, il représente 83 % du volume de notre planète et 67 % de sa masse. Sous le manteau se trouve le noyau : une boule de fer fondu agitée de mouvement de convections rapides à l’origine du champ magnétique terrestre. Rien à voir donc avec la composition du manteau, qui quant à lui est composé de roches silicatées, principalement solides. Le manteau est également le siège de mouvements de convection, mais à des vitesses bien inférieures à celles du noyau, de l’ordre du cm/an1.

A l’interface de ces deux régions très différentes, il existe une couche d’environ 200 km d’épaisseur et aux propriétés bien particulière : la couche D’’ (D seconde), découverte par Keith Bullen, de l’université de Sydney, en 19492. Au fil des années, cette couche est apparue fondamentale pour comprendre la dynamique du manteau global. En effet, elle joue le rôle de couche limite inférieure de la convection mantellique, la couche limite supérieure étant la lithosphère, l’enveloppe rigide à la surface de la Terre. De plus, elle est la région la plus profonde atteinte par les plaques en subduction et constitue probablement la source des points chauds tels que ceux trouvés à Hawaï ou à la Réunion.

Aux interfaces des différentes régions du manteau observées par les sismologues sont souvent associées à des transformations de phase des minéraux mantellique, c’est-à-dire des changements de structure cristalline. Cependant, la discontinuité observée au-dessus de D’’ est longtemps restée énigmatique. Ce n’est qu’en 2004, soit 55 ans après la découverte de la couche D’’, que des expériences en laboratoire dans des conditions extrêmes de pression et de température (environ 1,3 million de fois la pression atmosphérique et plus de 2 200 °C) ont pu mettre en évidence que le minéral dominant de cette partie du manteau, la bridgmanite, change effectivement de structure pour adopter une forme nommée post-pérovskite aux conditions de D’’3.

Il devenait donc tentant d’associer directement les discontinuités sismiques observées dans la couche D'' à des limites entre des régions dominées par la brigmanite ou la post-pérovskite. Très rapidement cependant, les expérimentateurs cherchant à reproduire en laboratoire la minéralogie de l’intérieur de la Terre ont émis des doutes sur la détectabilité de cette transformation avec des ondes sismiques. En effet, d’après leurs expériences, le domaine de coexistence des phases brigmanite et post-perovskite pouvaient correspondre à des épaisseurs de l’ordre de 500 km, soit deux fois plus que l’épaisseur de la couche D’’4. Comment donc associer les réflecteurs sismiques observés distinctement à cette transformation diffuse ?

Une autre question restait en suspens : combien de temps faut-il pour former une phase post-perovskite à partir du minéral bridgmanite ? Plus haut dans le manteau, les transformations de phases peuvent être retardées, ce qui influence la subduction des plaques lithosphériques5. Est-ce le cas dans la couche D’’ ?

  • 1. Référencer article de S. Labrosse sur https://www.pourlascience.fr/sd/geosciences/un-monde-sous-le-manteau-3110.php
  • 2. Bullen, K. E., Compressibility‐pressure hypothesis and the earth's interior. Geophysical Journal International (1949) doi:10.1111/j.1365-246X.1949.tb02952.x
  • 3. Murakami, M.; Hirose, K.; Kawamura, K.; Sata, N. & Ohishi, Y. Post-Perovskite Phase Transition in MgSiO3. Science (2004) doi: 10.1126/science.1095932
  • 4. Catalli, K.; Shim, S.-H. & Prakapenka, V. Thickness and Clapeyron slope of the post-perovskite boundary. Nature (2009) doi: 10.1038/nature08598
  • 5. Harro Schmeling, Ralf Monz, David C. Rubie, The influence of olivine metastability on the dynamics of subduction. Earth and Planetary Science Letters (1999) doi: 10.1016/S0012-821X(98)00249-0
Illustration de la transition de la bridgmanite d’une structure perovskite vers une structure perovskite. Avec la subduction, le matériel atteint la couche D’’. Le minéral bridgmanite se transforme vers une structure post-pérovskite (région en jaune). Cette transformation peut expliquer un nombre important d’observations sismiques dans la couche D’’.

Une équipe de chercheurs l’Unité Matériaux et Transformations (UMET, Université de Lille / CNRS) a donc décidé de mesurer la cinétique de cette transformation. En collaboration avec des chercheurs du Laboratoire Magmas et Volcans (LMV, Université Clermont-Auvergne / CNRS / OPGC / IRD), ainsi que des collègues allemands de la source synchrotron PETRA III à Hambourg, ils ont reproduit expérimentalement les conditions de pression et température de la couche D’’. Ils ont ainsi pu mesurer le temps nécessaire à former une post-perovskite à partir du minéral bridgmanite.

Les résultats sont sans appel : si les temps de transformation dépendent de la température ou la taille de grains, aux conditions de la couche D’’, la transformation est très rapide comparée aux échelles de temps géologiques. La cinétique de transformation entre ces deux composés n’a donc pas d’effet sur la dynamique à long terme du manteau profond.

Cependant, les chercheurs ont aussi réalisé que les échelles de temps mesurées correspondaient à celles des vibrations induites au passage d’une onde sismique. Dans ce cas, le passage d’une onde sismique peut affecter une transformation qui, en retour, aura aussi un effet sur l’onde sismique. Assistés de collègues du Laboratoire de Géologie de Lyon - Terre, Planètes, Environnement, (LGL-TPE, CNRS / ENS Lyon / Université de Lyon), ainsi que de l’Université de Münster, en Allemagne, l’équipe a ainsi montré que la proximité des échelles de temps de transformation cristalline et des vibrations induites par les ondes sismiques donne lieu à un effet d’amplification inattendu : contrairement à l’intuition, les régions de coexistence entre brigmanite et post-pérovskite peuvent se révéler de formidables sources de réflexions sismiques.

Ces résultats permettent de réconcilier les observations de minéralogie expérimentale, proposant une transformation progressive entre les deux structures, et les observations sismiques, de réflecteurs efficaces à ces profondeurs. De plus, une analyse fine des signaux observés permettrait également de déduire des informations importantes telles que l’épaisseur de la région de coexistence entre les deux phases cristallines.

Comme anticipé, la couche D’’ n'a donc rien d'une couche homogène, et les mesures sismiques proposent l’existence de structures complexes. Les recherches en cours cherchent maintenant à proposer des scénarios quant à l’histoire et les processus dynamiques en cours dans cette région. Ce travail repose sur un éventail de disciplines telles que la minéralogie, la sismologie, ou les modélisations de géodynamique. Que nous disent ces structures sur la dynamique globale du manteau, son histoire, et sa manifestation en surface, la tectonique des plaques ? 60 ans après sa découverte et 15 ans après la mise en évidence de la transformation de la brigmanite en post-pérovskite, la couche D’’ reste un lieu d’expérimentation et de découverte au cœur de la recherche actuelle.

Références

Langrand, C., Andrault, D., Durand, S. et al. Kinetics and detectability of the bridgmanite to post-perovskite transformation in the Earth's D″ layer. Nature Communication (2019). doi:10.1038/s41467-019-13482-x

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Sébastien Merkel
UMET