Le manteau déformé à très haute pression expérimentalement

Dimanche, 24 juin 2007

Une équipe internationale menée par un chercheur ayant récemment rejoint le Laboratoire de structure et propriétés de l'état solide (Université des Sciences et Technologies de Lille - CNRS - Ecole nationale supérieure de chimie de Lille) vient de montrer expérimentalement que les polycristaux de post-perovskite, issue de la transformation à très haute pression et température du principal constituant du manteau, la perovskite, s'orientent selon une direction compatible avec le glissement le long de deux plans particuliers.

L'intérieur de la Terre nous est inaccessible directement, les forages les plus profonds n'étant que des "égratignures". Notre connaissance de la Terre interne provient donc de moyens indirects tels que l'étude des ondes sismiques qui se propagent à partir des foyers des tremblements de terre, la modélisation numérique, les connaissances acquises par la géochimie et la minéralogie avec l'expérimentation à haute pression et haute température. Nous savons aujourd'hui que la Terre est divisée en couches. La croûte, sur laquelle nous vivons, ne représente qu'une fine pellicule. L'enveloppe principale, le "manteau", s'étend jusqu'à 2.900 km de profondeur et est constituée de roches solides. Vient ensuite le noyau, liquide dans sa partie périphérique et qui contient une partie solide de 1200 km de rayon : la "graine".

Un des mystères de la Terre interne reste la région frontière entre le manteau et le noyau, appelée couche D", dont les déformations ont certainement une influence sur le manteau et les continents à sa surface. Les données sismiques y révèlent la présence d'une structure variée et complexe, extrêmement difficile à étudier en laboratoire en raison des conditions extrêmes qui règnent à cette profondeur. En effet la pression y est supérieure à un million de fois la pression atmosphérique, tandis que la température peut y atteindre plusieurs milliers de degrés Celsius. Cependant en 2004, une équipe japonaise a montré que la perovskite, le silicate de composition MgSiO3 qui constitue le manteau à 80%, se déstabilise dans ces conditions pour former une nouvelle phase : la post-perovskite. Cette dernière a la même composition que la perovskite, mais en diffère par sa structure cristalline en feuillets. En réponse aux contraintes qui s'exercent à la base du manteau, la post-perovskite se déforme. Mais comment ? Et ces déformations expliquent-elles la signature sismique de la couche D" ?

Une équipe internationale menée par Sébastien Merkel, chercheur anciennement à l'Université de Berkeley en Californie ayant récemment rejoint le Laboratoire de structure et propriétés de l'état solide (Université des Sciences et Technologies de Lille - CNRS - Ecole nationale supérieure de chimie de Lille), et impliquant des chercheurs de l'Université de Berkeley en Californie, de l'Université d'Arizona, de l'Université de Princeton, et du synchrotron APS, près de Chicago aux États-Unis, vient de publier dans la revue Science une étude combinant expérimentation dans les conditions extrêmes de la couche D", et modélisation numérique.

Dans la phase expérimentale, les chercheurs ont porté un matériau de départ à une pression de 145 GPa et une température de 300 K, dans une cellule à enclume de diamant. Cet instrument repose sur un principe physique simple : pour atteindre des pressions élevées il faut appliquer une force importante sur une surface la plus réduite possible (le diamant est utilisé en raison de ses caractéristiques exceptionnelles de résistance à la compression). Cette pression atteinte, les scientifiques ont chauffé leur matériau de départ jusqu'à une température de 2000 K, à l'aide de lasers infra-rouge puissants, focalisés sur l'échantillon au travers du diamant. Ils ont ainsi synthétisé des échantillons de post-perovskite. Enfin, à une température de 300 K et à une pression variant entre 145 et 157 GPa, les chercheurs ont étudié par diffraction aux rayons X les déformations de sa structure. La ligne HPCAT du synchrotron APS, près de Chicago aux États-Unis, a été utilisée comme source de rayons X puissants et très focalisés, qui permet d'étudier les détails de la structure des minéraux confinés dans les cellules diamants. Ces travaux ont montré, pour la première fois expérimentalement, que les polycristaux de post-perovskite s'orientent selon une direction compatible avec le glissement le long de deux plans particuliers (en l'occurence (100) et (110)).


Or, lorsque les cristaux d'un polycristal ont une orientation privilégiée, il devient anisotrope, c'est-à-dire que ses propriétés physiques varient avec la direction, et notamment la propagation des ondes sismiques. L'équipe a donc cherché à savoir si, à partir de ces orientations privilégiées montrées expérimentalement, il était possible de retrouver la signature sismique caractéristique de la couche D". Ces orientations privilégiées ont été introduites dans un modèle numérique de déformation plastique des minéraux développé par Hans-Rudolf Wenk de l'Université de Californie à Berkeley et de Sébastien Merkel. Ce modèle a été couplé à un modèle numérique de convection du manteau développé par Allen McNamara de l'Université d'Arizona. Toutefois, ces simulations numériques n'ont pour l'instant pas permis de reproduire la majeure partie des observations d'anisotropie sismique.

Il y a beaucoup d'incertitude sur l'applicabilité de la mesure expérimentale à la Terre profonde et les avancées dans ce domaine dépendent considérablement de la multiplication et du croisement systématique des approches utilisées. Récemment, une équipe du Laboratoire de structure et propriétés de l'état solide avait étudié la plasticité de la post-perovskite en alliant calcul numérique et mécanique quantique. La comparaison de ces derniers résultats avec ceux obtenus ici expérimentalement devrait permettre d'affiner chacune des deux voies, théorique et expérimentale. Etape pour laquelle le Laboratoire de structure et propriétés de l'état solide est particulièrement bien placé. En s'équipant à l'heure actuelle d'une salle d'expérimentation, il sera bientôt le seul à combiner sur le même site des capacités expérimentales et numériques/théoriques d'étude de la plasticité des minéraux du manteau profond.

Pour en savoir plus: 
Source(s): 

Deformation of (Mg,Fe)SiO3 post-Perovskite and D'' Anisotropy,
Sébastien Merkel, Allen K. Mcnamara, Atsushi Kubo, Sergio Speziale, Lowell Miyagi, Yue Meng, Thomas S. Duffy, Hans-Rudolf Wenk
Science du 22 juin 2007

Contact(s):
  • Sébastien Merkel, Unité Matériaux et Transformations (UMET)
    sebastien [dot] merkel [at] univ-lille1 [dot] fr, 03 20 43 65 16

La reprise des actualités du site est autorisée avec la mention "Source : Actualités du CNRS-INSU" et un lien pointant sur la page correspondante.