Une première dans l'observation des déformations des roches du manteau terrestre

Pour la première fois, des chercheurs ont pu reproduire en laboratoire les déformations subies par les roches du manteau terrestre dans des conditions extrêmes de pression et de température proches de celles qu'elles subissent in situ. Ces résultats sont publiés dans Nature le 22 avril 2004 par Patrick Cordier, Laboratoire de Structures et Propriétés de l'Etat Solide (CNRS - Université de Lille I), et ses collaborateurs(1). Ils devraient permettre de ré-interpréter les données sismiques et la dynamique des couches profondes de la Terre.

Comme une casserole d'eau sur le feu, la Terre, machine thermique, évacue sa chaleur interne grâce à de vastes et lents mouvements de convection, à l'échelle de centaines de millions d'années, qui brassent le manteau terrestre. En surface, ces mouvements nous sont perceptibles, entre autres, par les frottements des plaques tectoniques et les séismes qui en résultent.

Le manteau terrestre profond, qui s'étend jusqu'à 2900 km de profondeur, est constitué à 80 % d'un silicate (Mg, Fe)SiO3, de structure cristalline dite « perovskite ». In situ, la température atteint plusieurs milliers de degrés celsius et la pression est de plus d'un million de fois supérieure à la pression atmosphérique.

Pour comprendre les déformations subies par la perovskite et transmises à la surface de la planète, il est indispensable de se replacer dans des conditions extrêmes de pression et de température. Une fois ces conditions extrêmes obtenues, la technique habituelle d'observation des cristaux, la microscopie électronique, est inutilisable, parce qu'elle provoque des perturbations de ces cristaux fragiles qui ont alors tendance à se vitrifier.

Cristal de perovskite, vu au microscope, ayant subi une déformation anisotrope à haute pression, haute température. La largeur de l'image correspond à 100 μm. © INSU-CNRS. Laboratoire de Structures et Propriétés de l'Etat Solide (CNRS - Université de Lille I).

L'équipe de Patrick Cordier s'intéresse à cette problématique depuis une dizaine d'années. Cette équipe a réussi pour la première fois, en utilisant une presse multienclumes, à déformer des cristaux de perovskite de manière plastique dans les conditions de température et de pression qui règnent dans le manteau terrestre à la profondeur de 700 km (un record !). La seconde originalité a été d'adapter une technique d'analyse aux rayons X développée en métallurgie pour observer les microstructures de déformation ainsi produites.

Ils observent ainsi que les cristaux de perovskite, soumis à une température de 1400°C et à une pression de 25 GPa (soit 250 000 fois la pression atmosphérique), sont bien capables de se déformer dans ces conditions extrêmes, et que les déformations subies sont orientées par des défauts de la structure cristalline. Ces résultats donnent aujourd'hui une nouvelle vision de la dynamique de l'intérieur du globe. Effectivement, la perovskite est susceptible de se déformer dans les conditions du manteau, et nous avons plus d'informations sur les mécanismes mis en oeuvre à l'échelle microscopique. Ces données vont nous permettre de ré-interroger les données sismiques et d'améliorer notre vision de la dynamique du manteau terrestre, commente Patrick Cordier.

Ce programme de recherche a bénéficié d'un financement du programme « Intérieur de la Terre » de l'INSU-CNRS, arrêté en 2002. Le programme DyETI a pris sa suite et traite des questions fondamentales sur la dynamique interne de la Terre.