Alors que des plaques de la croûte terrestre descendent dans le manteau, ils rencontrent une zone d'environ 1, 100 kilomètres plus bas, là où la roche du manteau se durcit brusquement, coule moins facilement. De la même manière, des panaches ascendants de roche en fusion rencontrent la même couche et ont du mal à percer par le bas. Crédit :Dan Shim
Depuis des décennies, des chercheurs ont étudié l'intérieur de la Terre à l'aide d'ondes sismiques provenant de tremblements de terre. Maintenant une étude récente, dirigé par le professeur agrégé d'exploration de la Terre et de l'espace de l'Université d'État de l'Arizona, Dan Shim, a recréé en laboratoire les conditions trouvées au plus profond de la Terre, et utilisé cela pour découvrir une propriété importante du minéral dominant dans le manteau terrestre, une région située bien en dessous de nos pieds.
Shim et son équipe de recherche ont combiné des techniques de rayons X dans l'installation de rayonnement synchrotron des laboratoires nationaux du département de l'Énergie des États-Unis et de la microscopie électronique à résolution atomique à l'ASU pour déterminer les causes des schémas d'écoulement inhabituels dans les roches situées à 600 milles et plus profondément dans la Terre. Leurs résultats ont été publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
débit lent, au plus profond
La planète Terre est constituée de couches. Ceux-ci incluent la croûte à la surface, le manteau et le noyau. La chaleur du noyau entraîne un mouvement de barattage lent des roches de silicate solides du manteau, comme du fudge à ébullition lente sur un brûleur de cuisinière. Ce mouvement de bande transporteuse fait se bousculer les plaques tectoniques de la croûte à la surface, un processus qui s'est poursuivi pendant au moins la moitié des 4,5 milliards d'années d'histoire de la Terre.
L'équipe de Shim s'est concentrée sur une partie déroutante de ce cycle :pourquoi le modèle de barattage ralentit-il brusquement à des profondeurs d'environ 600 à 900 milles sous la surface ?
"Des études géophysiques récentes ont suggéré que le modèle change parce que les roches du manteau s'écoulent moins facilement à cette profondeur, " dit Shim. " Mais pourquoi ? La composition de la roche y change-t-elle ? Ou les roches deviennent-elles soudainement plus visqueuses à cette profondeur et à cette pression ? Personne ne sait."
Pour étudier la question en laboratoire, L'équipe de Shim a étudié la bridgmanite, un minéral contenant du fer que des travaux antérieurs ont montré est le composant dominant du manteau.
Pour soumettre l'échantillon de bridgmanite à des pressions élevées, il est maintenu entre deux enclumes en diamant de qualité gemme. Crédit :Dan Shim
"Nous avons découvert que des changements se produisent dans la bridgmanite aux pressions attendues pour 1, 000 à 1, 500 km de profondeur, " a déclaré Shim. " Ces changements peuvent provoquer une augmentation de la viscosité de la bridgmanite - sa résistance à l'écoulement. "
L'équipe a synthétisé des échantillons de bridgmanite en laboratoire et les a soumis aux conditions de haute pression trouvées à différentes profondeurs dans le manteau.
Clé minérale du manteau
Les expériences ont montré à l'équipe que, au-dessus d'une profondeur de 1, 000 kilomètres et au-dessous d'une profondeur de 1, 700km, La bridgmanite contient des quantités presque égales de formes oxydées et réduites de fer. Mais aux pressions trouvées entre ces deux profondeurs, La bridgmanite subit des modifications chimiques qui finissent par abaisser considérablement la concentration de fer qu'elle contient.
Le processus commence par chasser le fer oxydé de la bridgmanite. Le fer oxydé consomme alors les petites quantités de fer métallique qui sont dispersées à travers le manteau comme des graines de pavot dans un gâteau. Cette réaction élimine le fer métallique et entraîne une production de fer plus réduit dans la couche critique.
Où va le fer réduit ? La réponse, dit l'équipe de Shim, c'est qu'il entre dans un autre minéral présent dans le manteau, ferropériclase, qui est chimiquement enclin à absorber le fer réduit.
"Ainsi, la bridgmanite dans la couche profonde se retrouve avec moins de fer, " expliqua Shim, notant que c'est la clé de la raison pour laquelle cette couche se comporte comme elle le fait.
"Comme il perd du fer, la bridgmanite devient plus visqueuse, ", a déclaré Shim. "Cela peut expliquer les observations sismiques du ralentissement de l'écoulement du manteau à cette profondeur."
