Le fer dans un ancien océan de magma profond sondé par des lasers à rayons X femtosecondes ultra-rapides

Lorsque la Terre achevait sa formation il y a environ 4,5 milliards d’années, elle était enveloppée dans un océan mondial de magma en fusion, s’étendant sur des centaines, voire des milliers de kilomètres sous sa surface en raison d’impacts violents. Cet environnement primitif ne ressemblait guère aux conditions habitables que nous connaissons aujourd’hui sur Terre.

Néanmoins, ces premières centaines de millions d’années ont été cruciales pour façonner les structures chimiques et physiques fondamentales de notre planète telles que nous les connaissons aujourd’hui. Les développements clés au cours de cette période comprenaient la formation du noyau terrestre riche en métaux et du manteau riche en silicates.

Dans le manteau terrestre actuel, de récentes études d’imagerie sismique ont dévoilé de grandes structures énigmatiques de la taille d’une montagne à un continent dans le manteau inférieur. Alors que l’origine de ces structures est débattue depuis plus d’une décennie, de nombreux modèles suggèrent que ces structures denses au fond du manteau pourraient être les derniers vestiges de l’ancien océan magmatique mondial.

Une observation expérimentale critique à l’appui de ces modèles est que le fer a tendance à se concentrer davantage dans le magma que dans les cristaux aux hautes pressions propres au manteau inférieur. Ce phénomène rend le magma plus dense que la couche rocheuse cristallisée, le manteau, au cours des dernières étapes de solidification du manteau, provoquant son affaissement. Pourtant, une question fondamentale persiste : pourquoi le fer se dissout-il préférentiellement dans le magma plutôt que dans les cristaux ?

Beaucoup ont émis l’hypothèse que la structure électronique des atomes de fer pourrait être la clé de cette question. Cependant, sonder la structure électronique des atomes de fer dans des conditions aussi extrêmes présente de formidables défis.

À la recherche de réponses, une équipe internationale de scientifiques, comprenant des membres de l’équipe ASU, a mené des expériences en soumettant le magma silicaté à des pressions supérieures à 1 million de bars et à des températures de 7 000 degrés Fahrenheit à l’aide de faisceaux laser de haute puissance. Les résultats de leurs découvertes ont été publiés dans Avancées scientifiquesavec le géoscientifique de l’ASU School of Earth and Space Exploration et le professeur Dan Shim comme auteur principal.

Dans cette expérience d’onde de choc, l’échantillon peut maintenir un état fondu et hautement comprimé pendant seulement quelques femtosecondes (une femtoseconde est une durée extrêmement courte, équivalente à un quadrillionième de seconde). Pour étudier la structure électronique des atomes de fer dans le magma silicaté, qui ne peut persister que pendant une période aussi brève, ils ont mesuré les spectres des atomes de fer présents dans l’échantillon à l’aide d’impulsions laser à rayons X ultra-rapides et intenses sur la matière dans des conditions extrêmes ( MEC) du Linac Coherent Light Source (LCLS), qui fait partie du SLAC National Accelerator Laboratory de Stanford.

Les expériences ont révélé que les électrons des atomes de fer se réorganisent dans une configuration connue sous le nom d’état de spin faible, ce qui donne lieu à un état plus dense. Cet état plus dense est plus stable pour les atomes de fer sous des pressions extrêmes, faisant du magma un environnement plus favorable pour les atomes de fer.

Cette transformation à l’échelle atomique issue d’expériences ultra-rapides explique pourquoi le magma peut devenir plus dense que les cristaux à mesure que l’océan de magma se solidifiait, élucidant comment les structures observées dans les études sismiques se sont formées et persistent dans la partie la plus profonde du manteau.

“Dans nos expériences, nous avons étudié un événement qui s’est produit il y a 4,5 milliards d’années, il y a très longtemps, 10¹⁷ il y a quelques instants. Mais pour comprendre cet événement ancien, nous avons utilisé une technique de choc laser, qui peut produire une très haute pression pendant seulement une infime fraction de seconde”, a déclaré Shim. “La différence entre les deux échelles de temps est incroyablement énorme ( 32 ordres de grandeur)!”

Remarquablement, ces expériences ont également atteint les conditions de pression attendues dans les exoplanètes super-Terres, qui sont des planètes rocheuses au-delà de notre système solaire avec des rayons 1 à 1,8 fois plus grands que celui de la Terre.

Les résultats suggèrent que la densification du magma pourrait se produire dans une mesure beaucoup plus importante dans les océans magmatiques des super-Terres. D’autres études ont indiqué que des magmas silicatés denses et riches en fer peuvent générer des dynamos à haute pression.

Par conséquent, cette étude pourrait contribuer à comprendre si les magmas silicatés des super-Terres contribuent à la génération de champs magnétiques, protégeant potentiellement les fines atmosphères de ces planètes du rayonnement intense émis par leurs étoiles hôtes.