Au plus profond de la Terre, l’oxyde de fer résiste à des températures et des pressions extrêmes

La limite noyau-manteau (CMB) est l’interface entre le noyau métallique de fer de la Terre et l’épaisse couche rocheuse du manteau juste au-dessus du noyau. C’est un monde d’extrêmes : des températures atteignant des milliers de degrés Fahrenheit et des pressions plus d’un million de fois supérieures à la pression à la surface de la Terre. Bien qu’ils puissent sembler éloignés de notre environnement à la surface de la Terre, les panaches de matière provenant du CMB peuvent remonter à travers la planète sur des dizaines de millions d’années, influençant la chimie, la structure géologique et la tectonique des plaques du monde de surface où nous vivons.

Bien que les scientifiques ne puissent pas se rendre au centre de la Terre pour étudier le CMB, ils peuvent obtenir des indices sur ce qui se trouve sous la surface de la planète en mesurant les tremblements de terre. Les ondes sismiques se propagent à différentes vitesses en fonction du matériau qu’elles traversent, ce qui permet aux chercheurs de déduire ce qui se trouve profondément sous la surface à l’aide de signatures sismiques. Ceci est analogue à la façon dont les ultrasons utilisent des ondes sonores pour imager l’intérieur du corps humain.

Des recherches récentes montrent que la base du manteau terrestre est en réalité complexe et hétérogène. En particulier, il existe des régions montagneuses où les ondes sismiques ralentissent mystérieusement. Ces blobs, appelés zones de vitesse ultra-basse (ULVZ) et découverts pour la première fois par Don Helmberger de Caltech, ont une épaisseur de plusieurs dizaines de kilomètres et se trouvent à environ 3 000 kilomètres sous nos pieds.

“Comme nous ne pouvons pas simplement nous rendre au CMB et prendre des mesures, de nombreuses questions restent ouvertes sur une région si importante pour l’évolution de notre planète”, explique Jennifer Jackson, professeure William E. Leonhard de physique minérale. “Pourquoi les ULVZ existent-ils et de quoi sont-ils faits ? Que nous apprennent-ils sur l’évolution de la Terre et quel rôle joue la région dans la dynamique de la Terre ? Les blobs sont-ils solides ou fondus dans les conditions extrêmes du CMB ? ”

En 2010, Jackson et son équipe ont suggéré que les blobs contenaient une teneur en oxyde de fer plus élevée que le manteau qui les entoure. L’oxyde de fer solide ralentirait les ondes sismiques, ce qui pourrait expliquer les faibles vitesses mesurées traversant les blobs. Mais l’oxyde de fer pourrait-il même être solide aux températures et pressions extrêmes du CMB ?

Aujourd’hui, une nouvelle étude du laboratoire de Jackson a permis de mesurer en détail le comportement de l’oxyde de fer dans une plage de températures et de pressions similaires à celles du CMB. Le diagramme de phases qui en résulte montre que, contrairement aux théories précédentes, l’oxyde de fer reste solide même à des températures très élevées. Cela représente la preuve la plus solide à ce jour que les régions solides riches en fer constituent une explication réaliste des ULVZ et peuvent jouer un rôle central dans la génération de panaches profonds. Les résultats motivent les futurs travaux sur les matériaux solides riches en fer afin de mieux comprendre l’intérieur profond de la Terre.

Un article décrivant la recherche est paru dans la revue Communications naturelles le 13 novembre.

Au niveau atomique, l’oxyde de fer solide est composé d’atomes de fer et d’oxygène soigneusement disposés selon des motifs répétitifs ordonnés. À mesure que le solide commence à fondre, les atomes perdent leur structure rigide et commencent à se déplacer de manière fluide. La nouvelle étude, dirigée par Vasilije Dobrosavljevic (PhD ’22), ancien étudiant diplômé de Caltech, visait à déterminer expérimentalement les températures et les pressions auxquelles cette transition se produit.

Atteindre des températures et des pressions extrêmes dans le cadre d’expériences est possible depuis des décennies, mais les expériences nécessitent de minuscules échantillons, plus petits que la largeur moyenne d’un cheveu humain. En utilisant des échantillons aussi petits, il est difficile de détecter la température précise à laquelle un matériau commence sa transition du solide au liquide. Depuis plus d’une décennie, Jackson et ses collaborateurs développent une technique permettant de détecter la fusion à haute pression. La nouvelle étude utilise cette technique précise, appelée spectroscopie Mössbauer, pour observer la configuration dynamique des atomes de fer.

“Nous utilisons Mössbauer pour répondre à des questions sur le mouvement dynamique des atomes de fer”, explique Dobrosavljevic. “Sur une courte période d’environ 100 nanosecondes, nous voulons savoir : bougent-ils à peine, comme dans un solide, ou bougent-ils beaucoup, comme dans un liquide ? Notre nouvelle étude complète la spectroscopie Mössbauer avec une méthode indépendante, X- la diffraction des rayons, qui nous permet d’observer les positions de tous les atomes de l’échantillon.”

Après des dizaines d’expériences dans une gamme de températures et de pressions, l’équipe a découvert qu’à la pression du CMB terrestre, l’oxyde de fer fond à des températures plus élevées que celles estimées précédemment : plus de 4 000 Kelvins, ce qui équivaut à environ 6 700 degrés Fahrenheit.

L’étude a également donné un résultat inattendu concernant les défauts dits atomiques dans les matériaux ferreux.

Les chercheurs savent qu’à la pression du niveau de la mer, chaque échantillon d’oxyde de fer présente de minuscules défauts régulièrement espacés dans sa structure atomique. Pour 100 atomes d’oxygène, il n’y a qu’environ 95 atomes de fer, ce qui signifie qu’il manque environ cinq atomes de fer. Les chercheurs ont débattu de la manière dont ces défauts au niveau atomique pourraient avoir un impact sur le matériau à plus grande échelle : comment il conduit l’électricité et la chaleur, par exemple, ou se déforme sous pression, etc. Ces paramètres sont essentiels pour comprendre l’intérieur des planètes, où le flux de chaleur et la déformation des matériaux déterminent la dynamique planétaire. Cependant, le comportement des défauts à hautes pressions et températures, comme ceux trouvés au CMB, était inconnu jusqu’à présent.

Dobrosavljevic et son équipe ont découvert qu’à des températures inférieures de plusieurs centaines de Kelvins au point de fusion de l’oxyde de fer, les minuscules défauts atomiques commencent à se déplacer dans le matériau solide, devenant ainsi « désordonnés ». Cela pourrait expliquer pourquoi des expériences précédentes suggéraient que l’oxyde de fer fondait à des températures plus basses : ces expériences constataient en fait des changements dans les défauts plutôt que la fusion de la structure cristalline entière.

“Avant que le cristal solide ne passe à l’état liquide, nous constatons que la structure du défaut subit une transition d’ordonnée à désordonnée”, dit-il. “Nous voulons maintenant savoir quel effet cette transition nouvellement découverte a-t-elle sur les propriétés physiques des régions riches en fer comme l’ULVZ ? Comment les défauts affectent-ils le transport de chaleur et qu’est-ce que cela signifie pour la formation et la génération de panaches d’upwelling ? qui atteignent la surface ? Ces questions guideront des recherches ultérieures.

L’article est intitulé “Fusion et transitions de défauts dans FeO jusqu’aux pressions de la limite noyau-manteau de la Terre”.