Une méthode innovante aux rayons X permet de nouvelles investigations à haute pression d'échantillons dans des conditions de manteau profond. La technique, qui a été développé par une équipe dirigée par Georg Spiekermann de DESY, le Centre allemand de recherche en géosciences GFZ et l'Université de Potsdam, élargit la gamme d'instruments disponibles pour les chercheurs à haute pression. Les tests réussis de la nouvelle méthode à la source de lumière à rayons X PETRA III de DESY soutiennent l'idée que les éléments lourds doivent s'accumuler dans les magmas afin qu'ils puissent être stables aux profondeurs du manteau inférieur de la Terre. Les scientifiques présentent leurs travaux dans la revue Examen physique X .

Les conditions dites standards de la chimie, soit une température de 25 degrés Celsius et une pression de 1013 millibars, sont en fait rares dans la nature. La majeure partie de la matière dans l'univers existe dans des conditions complètement différentes. A l'intérieur de la Terre, par exemple, la pression et la température augmentent rapidement jusqu'à plusieurs fois les conditions standard. "Toutefois, même avec les forages profonds les plus élaborés, seule la partie supérieure de la croûte terrestre est accessible, » souligne Spiekermann. Les chercheurs simulent donc les conditions de l'intérieur de la Terre en laboratoire afin d'étudier le comportement de la matière dans ces conditions.

De telles expériences impliquent souvent de déterminer la structure interne des échantillons, qui, dans de nombreux matériaux, change avec l'augmentation de la pression. Cette structure interne peut être explorée avec des rayons X suffisamment énergétiques pour pénétrer l'échantillon et suffisamment courts en longueur d'onde pour résoudre les minuscules détails des distances atomiques. Dans ce but, généralement, deux méthodes basées sur les rayons X existent dans la recherche à haute pression :l'absorption et la diffraction des rayons X à travers l'échantillon.

Basé sur l'émission de rayons X, Spiekermann et son équipe ont maintenant développé une troisième méthode qui peut être utilisée pour déterminer à la fois les distances de liaison dans la matière amorphe comprimée (désordonnée) et le soi-disant nombre de coordination, qui indique combien de voisins directs un atome a. Ces paramètres peuvent être lus à partir de l'énergie et de l'intensité du rayonnement d'une certaine raie d'émission de l'échantillon, appelé Kβ" ("K-beta-doubleprime"). Le rayonnement Kβ" est généré lorsque l'échantillon est excité par des rayons X. L'énergie de la raie d'émission dépend du nombre de coordination, l'intensité sur la distance de liaison.

Des expériences à la station expérimentale P01 de la source de rayons X PETRA III de DESY ont confirmé la nouvelle méthode. "Nous l'avons montré, en utilisant le spectre du germanium dans du dioxyde de germanium amorphe comprimé, mais cette procédure peut également être appliquée à d'autres systèmes chimiques, " dit Spiekermann.

La méthode fournira aux scientifiques une technique supplémentaire pour étudier la structure des échantillons à haute pression. « Les informations fournies par une nouvelle méthode de mesure sont particulièrement bienvenues lorsque différentes méthodes ont jusqu'à présent produit des résultats significativement différents, comme dans le cas du dioxyde de germanium amorphe comprimé, " explique Hans-Christian Wille, chercheur à DESY, chef de la station de mesure P01 où ont eu lieu les expériences.

Pour leurs expériences, les chercheurs ont exposé des échantillons de dioxyde de germanium (GeO2) à une pression pouvant atteindre 100 gigapascals, environ un million de fois plus que la pression atmosphérique au niveau de la mer. Cette pression correspond à une profondeur de 2200 kilomètres dans le manteau inférieur de la Terre. Les mesures montrent que le nombre de coordination du dioxyde de germanium ne dépasse pas six, même sous cette pression extrême. Cela signifie que même dans la phase haute pression, les atomes de germanium ont chacun encore six atomes voisins comme déjà à 15 gigapascals.

Ce résultat est d'un grand intérêt pour l'exploration de l'intérieur de la Terre, car le dioxyde de germanium a la même structure et se comporte comme le dioxyde de silicium (SiO2), qui est le composant principal des magmas naturels en général. Étant donné que les masses fondues telles que le magma ont généralement une densité inférieure à la forme solide du même matériau, C'est depuis longtemps un mystère pourquoi les magmas à grande profondeur ne remontent pas vers la surface au cours des périodes géologiques.

« Il y a deux explications possibles à cela, un produit chimique, l'autre structurel, " explique Spiekermann. " Soit des éléments lourds tels que le fer s'accumulent dans la fonte, ou il existe un mécanisme de compactage spécial dans les masses fondues qui rend les masses fondues plus denses que les formes cristallines de la même composition." Ce dernier serait perceptible, entre autres, par une augmentation du nombre de coordination sous haute pression.

"Nos investigations montrent que jusqu'à 100 gigapascals, le nombre de coordination dans le dioxyde de germanium non cristallin n'est pas plus élevé que dans la forme cristalline correspondante, " rapporte le chercheur. Appliqué au dioxyde de silicium, cela signifie que le magma avec une densité plus élevée ne peut être produit qu'en enrichissant des éléments relativement lourds tels que le fer. La composition et la structure du manteau inférieur ont des conséquences de grande envergure pour le transport global de la chaleur et la propagation du champ magnétique terrestre.