Regarder les minéraux du manteau terrestre se transformer en temps réel

Lundi, 27 mars 2017

Grâce à la mise en œuvre d’un nouvel équipement expérimental, des chercheurs de l’Unité matériaux et transformation (CNRS / ENSC Lille/ INRA / Université de Lille 1), du Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (LGL-TPE, CNRS / Université Claude Bernard / ENS Lyon), de l’IIT Kharagpur (Inde) et du synchrotron ESRF à Grenoble ont réussi pour la première fois à suivre - en temps réel, in situ et grain à grain - les changements de microstructure d’un échantillon d’olivine soumis aux pressions et températures élevées d’une plaque en subduction. Ce travail va permettre de mieux contraindre les propriétés mécaniques utilisées dans les modèles de dynamique du manteau et de la subduction.

Dans le manteau terrestre, les minéraux se transforment et adoptent des structures d’autant plus compactes qu’ils sont situés à plus grande profondeur. Ainsi l’olivine, minéral le plus abondant du manteau supérieur, se transforme-t-elle en wadsleyite à environ 410 km de profondeur puis en ringwoodite à 520 km. Or, ces transformations ont des conséquences importantes sur les propriétés mécaniques de la roche, sur la convection du manteau, ainsi que sur la subduction des plaques tectoniques. Elles pourraient en outre éventuellement être associées au déclenchement de séismes profonds.

Bien que découvertes expérimentalement dans les années 1970, les transformations de phase de l’olivine restent un des grands sujets de la minéralogie expérimentale, en particulier la manière dont elles affectent la microstructure du minéral, à savoir l’arrangement, la taille et l’orientation de ses grains.

Une collaboration de chercheurs de l’UMET, du LGL-TPE, de l’ESRF et de l’IIT Kharagpur a utilisé la diffraction multigrains et un nouveau type de cellule diamant à chauffage résistif permettant de reproduire les conditions de pression et de température d'une plaque en subduction pour étudier la séquence de transformation olivine-wadsleyite-ringwoodite jusqu’à 22 GPa et 1000 K. Pour cela, ils ont placé un échantillon constitué de quelques centaines de grains dans une cellule à enclume diamant et ont analysé les transformations subies par l'échantillon par diffraction d’une ligne de rayons X au synchrotron ESRF.

Ce dispositif expérimental leur a permis de suivre en temps réel, in situ et grain à grain l’évolution de la microstructure de l’échantillon, et ainsi de déterminer, pour la première fois en direct, le nombre de grains associés à chaque phase, les distributions de taille de ces grains et leurs orientations à chaque étape de ces transformations. De ces mesures, ils ont ensuite pu déduire le mécanisme de transition associé.
Ces nouvelles observations vont permettre d’améliorer les modélisations de la convection du manteau terrestre, et à mieux comprendre le comportement des plaques en subduction et à identifier des liens potentiels entre microstructure et déclenchement de séismes profonds.


Diffraction multi-grains sous haute pression et haute température d’un échantillon d’olivine constitué de quelques centaines de grains / Crédits: Angelika Rosa, 2017

Source(s): 

Rosa, A. D., N. Hilairet, S. Ghosh, J.-P. Perrillat, G. Garbarino, and S. Merkel (2016), Evolution of grain sizes and orientations during phase transitions in hydrous Mg2SiO4, J. Geophys. Res. Solid Earth, 121, 7161–7176, 30 octobre 2016

Contact(s):
  • Sébastien Merkel, Unité Matériaux et Transformations (UMET)
    sebastien [dot] merkel [at] univ-lille1 [dot] fr, 03 20 43 65 16
  • Angelika Rosa, ESRF
    angelika [dot] rosa [at] esrf [dot] fr, 04 38 88 19 75

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