La couche D" : facile à déformer et pouvant atténuer les ondes sismiques

Jeudi, 6 octobre 2016

Ayant réalisé une modélisation, à l’échelle atomique, des dislocations dans une structure cristalline de type post-perovskite représentative de la structure de la couche D", la couche du manteau terrestre située à la frontière du noyau, trois chercheurs de l’Unité matériaux et transformations (UMET, USTL / ENSC Lille / CNRS / INRA) ont mis en évidence une grande mobilité de ces défauts. Ainsi, la couche D" apparaît comme facile à déformer et pouvant être une source d’atténuation des ondes sismiques se propageant dans le manteau.

La région la plus profonde du manteau terrestre est appelée couche D". Située à la frontière du noyau, elle est une des zones les plus énigmatiques de l’intérieur de notre planète. Épaisse de quelques centaines de kilomètres, elle est caractérisée par d’importantes anomalies des vitesses de propagation des ondes sismiques. De par sa situation à l’interface noyau-manteau, elle constitue une discontinuité thermique, chimique et mécanique. Elle est enfin le siège d’importants gradients thermiques dus aux écoulements respectifs dans le noyau liquide et dans le manteau convectif. De nombreuses hypothèses ont été émises pour tenter d’expliquer les caractéristiques de cette couche D" qui reste, aujourd’hui encore, mal comprise.

Pendant de nombreuses années, le manteau inférieur a été considéré comme principalement constitué d’un silicate de magnésium de structure perovskite appelé bridgmanite. Cependant, il est apparu en 2004 que pour des pressions supérieures à 120 GPa (et des températures supérieures à 2500K), la bridgmanite se transformait en une phase plus dense appelée post-perovskite. Cette phase n’étant stable et observable que sous ces conditions extrêmes de pression et de température, l’étude de ses propriétés est particulièrement difficile.

La description physique des mécanismes de déformation de la couche D" est la seule approche qui permette de prédire son comportement mécanique aux échelles de temps de la convection du manteau, lesquelles échappent à l’échelle humaine. Or, le manteau étant constitué de roches solides, les écoulements relatifs à la convection mantelliques ne peuvent résulter que de la propagation de défauts cristallins dans les minéraux qui les constituent. Le mécanisme de déformation le plus efficace est généralement le glissement de lignes de défauts appelées dislocations.
Des résultats récents de modélisation ont montré que les pressions qui caractérisent la Terre profonde inhibent très fortement ce mécanisme, rendant très difficile la déformation de la bridgmanite.

Afin de tenter de prédire les propriétés mécaniques de la post-perovskite dans les conditions de température et de pression de la couche D", trois chercheurs de l’UMET ont réalisé une modélisation numérique des dislocations à l’échelle atomique dans la post-perovskite, cette modélisation étant basée sur des calculs de mécanique quantique.

Il apparaît que le comportement de ces défauts dans la post-perovskite est tout à fait surprenant.
Du fait de sa structure cristalline très particulière, constituée d’une alternance de couches de silicium et de magnésium, les dislocations ont en effet la particularité de glisser très facilement (sans friction) entre ces couches et ce malgré les pressions très élevées de la couche D". La post-perovskite apparaît de ce fait aussi facile à déformer que l’oxyde de magnésium qui l’accompagne (et qui est généralement considéré comme une phase "molle"). Cette propriété a d’importantes implications sur le brassage de la base du manteau et sa capacité à extraire de la chaleur du noyau.
En outre, les dislocations étant très mobiles dans la post-perovskite, elles peuvent être mises en mouvement très facilement, même sous la seule influence d’une onde sismique se propageant dans le manteau. Elles peuvent alors se mettre à vibrer comme une corde, cette vibration conduisant à une absorption d’énergie, et donc à une atténuation de l’onde, qui doit être mesurable. Ces prédictions théoriques doivent donc pouvoir être vérifiées par les sismologues.

Les dislocations glissent très facilement dans la post-perovskite malgré la pression. Elles peuvent même se mettre en mouvement au passage d’une onde sismique et être source d’atténuation. © A.M. Goryaeva, Université de Lille

Source(s): 

Low viscosity and high attenuation in MgSiO3 post-perovskite inferred from atomic-scale calculations, Alexandra M. Goryaeva, Philippe Carrez, and Patrick Cordier, Scientific Reports, 6, 34771; doi: 10.1038/srep34771 (2016).

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  • Patrick Cordier, UMET
    patrick [dot] cordier [at] univ-lille1 [dot] fr, 03 20 43 43 41 - 06 49 29 18 79

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