La compréhension actuelle est que la composition chimique du manteau terrestre est relativement homogène. Mais les expériences menées par les chercheurs de l'ETH montrent désormais que cette vision est trop simpliste. Leurs résultats résolvent un problème clé auquel sont confrontées les géosciences et soulèvent de nouvelles questions.

Il y a des endroits qui seront toujours hors de notre portée. L'intérieur de la Terre en fait partie. Mais nous avons des moyens d'acquérir une compréhension de ce monde inexploré. Ondes sismiques, par exemple, nous permettent d'imposer des contraintes importantes sur la structure de notre planète et les propriétés physiques des matériaux qui s'y cachent profondément. Ensuite, il y a les roches volcaniques qui émergent à certains endroits de la surface de la Terre depuis les profondeurs de l'intérieur et fournissent des indices importants sur la composition chimique du manteau. Et enfin, il existe des expériences de laboratoire qui peuvent simuler les conditions de l'intérieur de la Terre à petite échelle.

Une nouvelle publication de Motohiko Murakami, Professeur de physique minérale expérimentale, et son équipe ont été présentés récemment dans le journal PNAS et montre à quel point de telles expériences peuvent être éclairantes. Les résultats des chercheurs suggèrent que la compréhension de l'intérieur de la Terre par de nombreux géoscientifiques est peut-être trop simpliste.

Changement dramatique

Sous la croûte terrestre, qui n'a que quelques kilomètres d'épaisseur, se trouve son manteau. Également fait de roche, cela entoure le noyau de la planète, qui commence quelque 2, 900 kilomètres en dessous de nous. Grâce aux signaux sismiques, nous savons qu'un changement dramatique se produit dans le manteau à une profondeur d'environ 660 kilomètres :c'est là que le manteau supérieur rencontre le manteau inférieur et les propriétés mécaniques de la roche commencent à différer, c'est pourquoi la vitesse de propagation des ondes sismiques change radicalement à cette frontière.

Ce qui n'est pas clair, c'est s'il s'agit simplement d'une frontière physique ou si la composition chimique de la roche change également à ce stade. De nombreux géoscientifiques supposent que le manteau terrestre dans son ensemble est composé de manière relativement constante de roches riches en magnésium, qui à son tour a une composition similaire à celle de la roche péridotite trouvée à la surface de la Terre. Ces envoyés du manteau supérieur, qui arrivent à la surface de la Terre par le biais d'événements tels que des éruptions volcaniques, présentent un rapport magnésium-silicium d'environ 1,3.

"La présomption que la composition du manteau terrestre est plus ou moins homogène repose sur une hypothèse relativement simple, " explique Murakami. " A savoir que les puissants courants de convection à l'intérieur du manteau, qui entraînent également le mouvement des plaques tectoniques à la surface de la Terre, le mélangent constamment. Mais il est possible que ce point de vue soit trop simpliste."

Où est le silicium ?

Il y a vraiment une faille fondamentale dans cette hypothèse. Il est généralement admis que la Terre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années par l'accrétion de météorites qui ont émergé de la nébuleuse solaire primordiale, et en tant que tel a la même composition globale de ces météorites. La différenciation de la Terre en noyau, le manteau et la croûte se sont produits dans le cadre d'une deuxième étape.

Laissant de côté le fer et le nickel, qui font désormais partie du noyau de la planète, il devient évident que le manteau devrait en fait contenir plus de silicium que la roche péridotite. Sur la base de ces calculs, le manteau devrait avoir un rapport magnésium-silicium plus proche de ~1 plutôt que ~1.3.

Cela pousse les géoscientifiques à se poser la question suivante :où est le silicium manquant ? Et il y a une réponse évidente :le manteau terrestre contient si peu de silicium parce qu'il se trouve dans le noyau de la Terre. Mais Murakami arrive à une conclusion différente, à savoir que le silicium est dans le manteau inférieur. Cela signifierait que la composition du manteau inférieur diffère de celle du manteau supérieur.

Hypothèse sinueuse

L'hypothèse de Murakami prend quelques rebondissements :d'abord, nous savons déjà précisément à quelle vitesse les ondes sismiques traversent le manteau. Seconde, des expériences en laboratoire montrent que le manteau inférieur est composé principalement de bridgmanite minérale siliceuse et de ferropériclase minérale riche en magnésium. Troisième, nous savons que la vitesse de propagation des ondes sismiques dépend de l'élasticité des minéraux qui composent la roche. Donc, si les propriétés élastiques des deux minéraux sont connues, il est possible de calculer les proportions de chaque minéral nécessaires pour corréler avec la vitesse observée des ondes sismiques. Il est alors possible de déduire quelle doit être la composition chimique du manteau inférieur.

Alors que les propriétés élastiques de la ferropériclase sont connues, celles de la bridgmanite ne le sont pas encore. En effet, l'élasticité de ce minéral dépend fortement de sa composition chimique; plus précisement, elle varie selon la quantité de fer que contient la bridgmanite.

Des mesures chronophages

Dans son laboratoire, Murakami et son équipe ont maintenant effectué des tests à haute pression sur ce minéral et expérimenté différentes compositions. Les chercheurs ont commencé par serrer un petit spécimen entre deux pointes de diamant et à utiliser un dispositif spécial pour les presser ensemble. Cela a soumis l'échantillon à une pression extrêmement élevée, semblable à celui que l'on trouve dans le manteau inférieur.

Les chercheurs ont ensuite dirigé un faisceau laser sur l'échantillon et mesuré le spectre d'ondes de la lumière dispersée de l'autre côté. En utilisant les déplacements dans le spectre des ondes, ils ont pu déterminer l'élasticité du minéral à différentes pressions. "Cela a pris beaucoup de temps pour terminer les mesures, " rapporte Murakami. " Puisque plus la bridgmanite de fer contient, moins elle devient perméable à la lumière, il nous a fallu jusqu'à quinze jours pour effectuer chaque mesure individuelle."

Silicium découvert

Murakami a ensuite utilisé les valeurs de mesure pour modéliser la composition qui correspond le mieux à la dispersion des ondes sismiques. Les résultats confirment sa théorie selon laquelle la composition du manteau inférieur diffère de celle du manteau supérieur. "Nous estimons que la bridgmanite représente 88 à 93 pour cent du manteau inférieur, " Murakami dit, "ce qui donne à cette région un rapport magnésium-silicium d'environ 1,1." L'hypothèse de Murakami résout le mystère du silicium manquant.

Mais ses découvertes soulèvent de nouvelles questions. On sait par exemple qu'à l'intérieur de certaines zones de subduction, la croûte terrestre est enfoncée profondément dans le manteau, parfois même jusqu'à la frontière avec le noyau. Cela signifie que les manteaux supérieur et inférieur ne sont en réalité pas des entités hermétiquement séparées. Il reste à voir comment les deux zones interagissent et comment la dynamique de l'intérieur de la Terre fonctionne pour produire des régions du manteau chimiquement différentes.