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À l’intérieur de la Terre

Des physiciens détaillent les structures et les transformations de minéraux dans des régions profondes de l’intérieur de la planète

Publié en août 2012

DRüMAller sur la Lune à quasiment 400 000 kilomètres ou lancer des satellites pour connaître d’autres planètes peut sembler plus facile que découvrir la composition et le fonctionnement interne de la Terre, une sphère presque parfaite de 12 000 km de diamètre. Les forages n’ayant pas été au-delà de 12 km de profondeur, ils n’ont pas dépassé la couche la plus superficielle, la croûte terrestre. Et comme il est impossible d’examiner directement l’intérieur de la planète, les scientifiques utilisent des simulations informatiques pour comprendre la formation et la transformation de la masse solide de minéraux des couches plus profondes de la planète quand elle est soumise à des pressions et à des températures des centaines de fois plus élevées que celles de la surface. Grâce à cela, ils sont en train d’identifier des minéraux qui se forment à des milliers de kilomètres de la surface et de reconnaître l’existence possible d’un volume d’eau énorme, supérieur à un océan et dispersé dans l’épaisse masse de roches qui se trouve sous nos pieds.

La physicienne brésilienne Renata Wentzcovitch, chercheuse à l’Université de Minnesota (États-Unis) a fait des découvertes fondamentales sur l’intérieur de la planète à partir de techniques mathématiques et informatiques qu’elle développe depuis 1990. En 1993, elle a élucidé la structure atomique de la pérovskite à haute pression : la pérovskite est le minéral le plus abondant dans le manteau inférieur, la couche interne la plus vaste avec une épaisseur de 2 200 km – et beaucoup moins connue que les couches plus externes (cf. schémas sur les couches internes de la Terre).

En 2004, la chercheuse et son équipe ont identifié la post-pérovskite, un minéral qui résulte de la transformation de la pérovskite soumise à des pressions et à des températures des centaines de fois plus élevées que celle de la surface, comme dans les régions les plus profondes du manteau. Les résultats ont permis d’expliquer les vitesses des ondes sismiques produites par les tremblements de terre, qui varient selon les propriétés des matériaux qu’elles traversent et sont un des moyens les plus utilisés pour comprendre la composition interne de la Terre. Les études plus récentes de Renata Wentzcovitch ont montré que la post-pérovskite tend à se dissocier en oxydes élémentaires – tel l’oxyde de magnésium et l’oxyde de silicium – au fur et à mesure que la pression et les températures augmentent, comme à l’intérieur des planètes géantes Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.

R. Wentzcovitch observe : « Nous disposons des moyens pour découvrir la constitution et les différences de composition de l’intérieur de planètes ». Les techniques qu’elle a développées peuvent, selon elle, prévoir le comportement de structures cristallines complexes, formées de plus de 150 atomes : « Le long du manteau terrestre, les structures cristallines des minéraux sont différentes, par contre la composition chimique des couches internes de la Terre semble être uniforme ».

Avec des travaux tels que ceux effectués par son groupe, on commence désormais à mieux voir comment les minéraux à l’intérieur de la Terre perdent leur élasticité et deviennent plus denses quand ils sont soumis à une pression et une température élevées, qui augmentent avec la profondeur. En raison de cette augmentation de pression, on estime que la densité du centre de la Terre – formé d’une masse de fer solide à une température d’environ 6 000°C – doit être de quasiment 13 grammes par cm3, quatre fois plus élevée que celle de la surface. Dans ce sens, tout indique qu’il y a quatre fois plus d’atomes dans un même volume.

Laissant de côté la fiction, les physiciens, géophysiciens, géologues et géochimistes recourent à des méthodes rigoureuses comme l’analyse des résultats de calculs théoriques, d’expérimentations en laboratoire, de relevés géologiques et de la vitesse des ondes sismiques pour ‘ouvrir’ la planète et tenter de mieux connaître les régions de masse rocheuse compacte en dessous de la limite de 600 km ; cette limite marque le début de ladite zone de transition, une région plus dense que le manteau et dont on savait très peu de choses. Les spécialistes pensent qu’ils pourront comprendre plus facilement – et qui sait, un jour peut-être prévoir – les tremblements de terre et les tsunamis, mais aussi mieux identifier les gisements minéraux s’ils parviennent à détailler la composition et les phénomènes des régions inaccessibles de l’intérieur de la planète.

Océans  Submergés
Même les couches les plus externes dévoilent des secrets qui mettent à mal l’ancienne image de l’intérieur de la planète, à savoir une suite de couches régulières, comme celles d’un oignon. En 2003, des relevés mondiaux détaillés ont permis à des chercheurs nord-américains de voir des irrégularités au niveau de la croûte : avec une épaisseur variant entre 20 et 68 km, les régions les plus fines sont celles qui sont les plus sujettes aux tremblements de terre, et les plus épaisses aux affaissements.

Lors de la rencontre Frontiers in Earth Science réalisée en juillet 2012 à l’Université de São Paulo (USP), le géophysicien Walter Mooney, du Service Géologique des États-Unis, a indiqué qu’on commençait « à voir l’interaction entre la croûte et la région la plus superficielle du manteau ». Les géophysiciens nordaméricains sont en train de réexaminer les conséquences possibles de deux phénomènes qui ont lieu avec la croûte. Le premier est l’enfoncement des plaques tectoniques (morceaux mobiles et rigides de la lithosphère, la couche superficielle qui inclut la région la plus externe du manteau) dans des régions plus profondes du manteau, augmentant ainsi le risque de secousses telluriques là où cela se produit. Les données vont dans le même sens que les conclusions d’une récente étude coordonnée par Marcelo Assumpção, physicien de formation et professeur de l’Institut d’Astronomie, de Géophysique et de Sciences Atmosphériques (IAG) de l’USP. En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Brasília, Assumpção a vérifié qu’au Brésil les secousses telluriques ont plus souvent lieu dans des zones où la croûte terrestre et la lithosphère sont plus fines, donc plus fragiles.

Le second phénomène est l’entrée d’eau dans la lithosphère, sous la croûte. Cela est d’autant plus curieux que l’eau ne devrait pas pouvoir être emmagasinée sous la croûte inférieure à cause de la pression exercée par les couches de roches et de la température d’environ 250°C – elle s’évaporerait rapidement. En réalité, ce n’est pas exactement de l’eau qui se trouve à l’intérieur de la Terre mais les composants de la molécule d’eau, l’hydrogène et l’oxygène, liés à la structure cristalline des minéraux sous la forme de H2O et OH.

Mooney et son équipe ont détecté une intromission aquatique intense dans les régions des Andes où la croûte atteint 65 km d’épaisseur, mais ils n’ont pas su en expliquer la raison : « Où cette eau est-elle emmagazinée ? Quel en est le volume ? » À ces questions présentées à ses confrères de différentes nationalités présents à la rencontre de São Paulo, il a émis l’hypothèse que l’eau pouvait venir de l’enfoncement ou de l’éloignement des plaques tectoniques. Les spécialistes se sont rendus compte que la lithosphère sans eau est géologiquement plus ancienne que celle hydratée, donc que l’hydratation pourrait contribuer à la formation ou à la transformation des couches les plus externes ou même du manteau plus profond, proche du noyau.

Pour le physicien João Francisco Justo Filho, professeur de l’École Polytechnique de l’USP qui travaille avec Renata Wentzcovitch depuis 2007, les molécules d’eau sont importantes parce « même dans des proportions infimes, de l’ordre de 0,1 %, elles peuvent changer la viscosité des matériaux et, conséquemment, la vision sur la circulation de la matière et de l’énergie à l’intérieur de la terre ». Quant au géophysicien Francis Albarède de l’École Normale Supérieure de Lyon, il affirme qu’« une grande quantité d’eau peut être cachée dans le manteau inférieur dans des minéraux ». « Peutêtre l’équivalent d’un océan tout entier, … peut-être plusieurs », suppute Renata Wentzcovitch. Par le biais de calculs informatiques, elle a commencé à examiner les possibilités que deux atomes d’hydrogène remplacent le magnésium lié à l’oxygène et forment des unités de H2O : « Plus nous cherchons, plus nous trouvons des défauts dans les structures cristallines, où l’hydrogène pourrait entrer ». Le problème, c’est que l’on ne sait pas combien d’hydrogène peut être accumulé dans le manteau.

Les incertitudes augmentent en descendant puisqu’il est impossible de mesurer avec précision ce qui se passe à 6 000 km de profondeur. On en sait encore peu sur le noyau terrestre, si dense qu’il concentre 30 % de la masse de la planète dans deux régions : une externe, liquide, et l’autre interne, solide, où la température peut aller au-delà de 6 000°C. Une équipe de l’University College London a utilisé la même approche conceptuelle que le groupe de Minnesota, la théorie de la fonctionnelle de la densité, pour estimer l’intensité du flux de chaleur qui vient de la région limitrophe entre le noyau et le manteau à partir de la quantité de fer, d’oxygène, de soufre et de silicium suggérée par les vitesses d’ondes sismiques qui traversent le noyau et par le flux de chaleur du manteau inférieur. Publiés en mai dernier dans la revue Nature, les résultats indiquent que le flux de chaleur émanant du noyau doit être deux à trois fois supérieur à celui préalablement estimé. Quant à savoir où est allée ou bien où va cette énergie, le mystère reste entier.

Minéraux en Décomposition
Nombre d’études en cours se concentrent sur le manteau, une couche solide épaisse, légèrement flexible et qui se déforme très lentement, comme le brai.
À part les rares occasions où le magma émerge des volcans et apporte avec lui de la matière du manteau, les analyses sont réalisées de manière indirecte, via le contrôle de la vitesse des ondes sismiques. Il est donc difficile de savoir directement ce qui se passe dans le manteau. Les Japonais veulent battre le record de forage de 12 km et arriver jusqu’au manteau en utilisant un navire avec une sonde semblable à celle d’un pétrolier. Diffusée en juillet dans la revue New Scientist, la mission ne s’annonce pas simple : les matériaux des foreuses utilisées pour perforer la croûte terrestre et atteindre le manteau doivent résister à des pressions 2 000 fois supérieures à celle de la surface et à des températures proches de 900°C ; en somme, une tâche qui s’apparente au projet d’extraction du pétrole de la couche de pré-sel sur le littoral de l’état de São Paulo.

« Je cuisine des roches pour comprendre leur formation » nous confie le géologue Guilherme Mallmann, chercheur de l’Institut des Géosciences de l’USP. Avec cette méthode différente, il soumet en laboratoire les composants chimiques qui constituent les minéraux à de hautes pressions et températures. Néanmoins, les fours et les presses utilisées permettent seulement de reproduire des phénomènes qui ont lieu jusqu’à 150 km de profondeur, la région du manteau supérieur où se forme le magma parfois craché par les volcans. Il pense que les conditions de pression les plus profondes de l’intérieur de la Terre peuvent être atteintes expérimentalement, mais que c’est beaucoup plus difficile. Étant donné que la pression est le résultat de la force sur une surface, le volume du matériau analysé devrait être considérablement réduit pour atteindre ces très hautes pressions, car « construire des presses plus grandes est très souvent impossible ».

La pérovskite, baptisée ainsi en hommage au minéralogiste russe Lev Perovski, se forme dans des milieux où les pressions et les températures sont élevées ; dans le manteau inférieur, les pressions peuvent varier de 23 à 135 gigapascal (1 gigapascal équivaut à une pression près de 10 000 fois supérieure à celle de la surface terrestre) et les températures se situer entre 2000°C et 4000°C. Renata Wentzcovitch a présenté la structure cristalline de ce minérau – un silicate de magnésium et de fer – en 1993 dans la revue Physical Review Letters, par l’intermédiaire de losanges verts et jaunes, les couleurs du drapeau brésilien. Mais le choix des couleurs était simplement dû à la nostalgie du pays de quelqu’un qui habite dans les villes jumelles de Minneapolis- Saint-Paul, à proximité de la frontière avec le Canada. Dans ce lieu où vivent 2,5 millions d’habitants, la température hivernale peut être de -20°C pendant plusieurs semaines de suite.

En collaboration avec des physiciens d’Italie et du Brésil, Renata Wentzcovitch a constaté que les atomes de fer du minéral ferropériclase, le deuxième minéral le plus abondant dans le manteau inférieur, perdent une de leurs propriétés les plus marquantes, le magnétisme. Ces données ont permis d’expliquer un phénomène qui avait déjà été observé en laboratoire. En 2007, João Justo a travaillé avec la chercheuse dans le Minnesota et ensemble ils ont développé une série d’équations qui établissent le changement de propriétés élastiques et de vitesses sismiques pendant la perte surprenante de magnétisme, provoquée par l’augmentation de la pression sur la ferropériclase.

Justo explique que « la taille de l’atome de fer diminue quand il y a perte du magnétisme et que la ferropériclase devient plus dense. De plus, des minéraux avec du fer s’amollissent pendant le lent processus de densification. Cela avait déjà été observé en laboratoire, mais pas encore expliqué ». Le phénomène est étonnant parce que normalement un matériau durcit quand il devient plus dense.

Publiés en 2009 dans la revue PNAS, les résultats des deux chercheurs expliquaient la perte de magnétisme sous une pression et une température équivalentes à celles du manteau inférieur observée en laboratoire par James Badro des Universités Paris 6 et Paris 7 – et décrite dans Science en 2003 et 2004. La vérification expérimentale de ce phénomène est une des grandes découvertes de la géophysique de ces dernières années. Elle a permis de montrer que la proportion de fer non magnétique peut augmenter avec la profondeur, mais aussi que les couches les plus profondes du manteau inférieur peuvent être encore plus denses que celles qui sont moins profondes.

Le Parcours
Quand elle était préadolescente, Renata Wentzcovitch aimait les tests de mathématiques que lui faisait passer quotidiennement son grand-père Adolfo Foffani quand ils passaient leurs vacances de fin d’année à Sumaré (état de São Paulo). Elle a étudié la physique à l’Université de São Paulo avant d’aller à Berkeley (États-Unis) en 1983 sur les recommandations de José Ribeiro Leite et Cylon Gonçalves da Silva. Le parcours de la chercheuse comprend un séjour à Cambridge et à Londres de 1990 à 1992, après avoir augmenté les possibilités d’utilisation de ses techniques de simulations de matériaux. Ses nouvelles techniques étaient tellement générales qu’elles permettaient d’étudier le mouvement atomique et les transformations de la structure cristalline à des pressions et températures élevées. Elle a utilisé pour cela le calcul de premiers principes basé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité et dont l’essence est simple : l’énergie totale d’un ensemble d’électrons dans son état d’équilibre dépend de la densité totale d’électrons.

Après beaucoup de travail, sa démarche a porté ses fruits : « En moins d’un mois, avec mes techniques, j’ai résolu la structure du silicate de magnésium à haute pression, sur laquelle travaillaient les chercheurs de Cambridge depuis deux ans ». Résoudre une structure, c’est « identifier la position d’équilibre et
es degrés de liberté d’une structure cristalline avec une certaine symétrie qui minimisent l’énergie interne ». Jusqu’alors, on ne parvenait à déterminer facilement que des structures comme celle du diamant, formé de deux atomes à la base et avec un degré de liberté qui se reflète sur la distance entre les atomes de carbone. La structure de pérovskite a 20 atomes de silicium, magnésium et oxygène, et 10 degrés de liberté, « elle est beaucoup plus complexe que la structure des semiconducteurs et c’est pour cette raison que son comportement à haute pression n’était pas encore connu ».

Au début, l’un de ses problèmes était qu’elle ne pouvait pas vérifier expérimentalement ses prévisions théoriques. Mais avec son équipe de Minnesota et des chercheurs de l’Institut de Technologie de Tokyo, elle a analysé en 2003 le spectre de rayons X qui étaient très différents de ceux attendus à très haute pression. Ils en ont conclu qu’il s’était produit un changement de phase – ou changement de structure cristalline – pour une structure inconnue. « Vu que la pérovskite paraissait tellement stable, j’ai eu du mal à y croire au début », observe-t-elle. L’année suivante, un article dans la revue Science a présenté la nouvelle structure cristalline et lancé la post-pérovskite, reconnue aujourd’hui comme étant le matériau le plus abondant dans la région du manteau appelée couche D’’, en contact avec la couche plus externe du noyau de la Terre. D’après Mallmann, « la post-pérovskite explique plusieurs caractéristiques géophysiques de cette région de la Terre ».

La post-pérovskite possède une structure en couches à travers lesquelles voyagent les ondes sismiques à des vitesses qui dépendent de la direction initiale. Ce travail a renforcé la conclusion d’autres études indiquant que ce minéral pouvait se former à différentes profondeurs du manteau inférieur.

Dans le compte rendu publié dans Science le 24 mars 2004, le physicien Surendra Saxena de l’Université Internationale de Floride a contesté les conclusions. Il continuait de penser que la pérovskite se décompose seulement dans les régions du manteau les plus proches du noyau et a rappelé que la théorie n’était pas encore parfaite, mais que des études ultérieures sur la propagation des ondes sismiques paraissent confirmer la présence de la post-pérovskite dans la couche D’’. « Nous avons eu beaucoup de chance », dit Renata Wentzcovitch, « les résultats des calculs informatiques de vitesses au niveau de la post-pérovskite sont surprenants parce qu’ils reproduisent beaucoup d’observations sismologiques de la couche D’’ [ jusqu’alors inexplicables]. Ce ne doit pas être une simple coïncidence ».

C’est également en 2004, quand ce travail a commencé à circuler, qu’elle a obtenu un financement de 3 millions de dollars USD de la National Science Foundation (États-Unis) pour monter le Laboratoire Virtuel de Matériaux Planétaires et Terrestres (Vlab) au sein de l’University of Minnesota Supercomputing Institute. Le Vlab a réuni des chimistes, des physiciens, des spécialistes des sciences informatiques, des géophysiciens et des mathématiciens. Envisageant l’existence possible de la post-pérovskite sur d’autres planètes, ils ont commencé à voir les transformations probables des minéraux à l’intérieur des planètes géantes du système solaire (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, d’une masse au moins dix fois supérieure à celle de la Terre) sous des pressions et des températures très élevées.

Les résultats de son groupe – tels que ceux détaillés dans Science en 2006 sur les transformations possibles du silicate de magnésium dans les planètes géantes les plus proches de la Terre – ont indiqué que ces techniques de calcul pouvaient être utiles pour étudier l’évolution des planètes. Lors de la réunion qui s’est tenue à l’USP, Renata Wentzcovitch a commenté devant un public assidu que « les comportements standards des minéraux sur différentes planètes ne peuvent pas être une simple coïncidence ».

Associer les simulations du comportement de matériaux situés très en profondeur et les études expérimentales aide à élucider les phénomènes qui ont lieu à l’intérieur de la Terre. En juillet dernier, des chercheurs français ont annoncé qu’ils avaient réussi à recréer en laboratoire les conditions environne- mentales de la limite entre le noyau externe et le manteau inférieur. Par le biais d’analyses de rayons X, ils ont montré que les roches partiellement fondues quand elles sont soumises à une température et une pression élevées peuvent se déplacer en direction de la surface de la Terre, et donner naissance à des îles volcaniques comme Hawaï.

Le Projet
Simulation et modélisation de minéraux à haute pression- n°09/14082-3 Modalité Projet Thématique Coordonnateur João Francisco Justo Filho – USP Investissement 184 378,73 reais

Articles scientifiques
WENTZCOVITCH, R.M. et al. « Ab initio molecular dynamics with variable cell shape: Application to MgSiO3 ». Physical Review Letters. v. 70, pp. 3.947-50, 1993.
TSUCHIYA, T. et al. « Phase transition in MgSiO3 perovskite in the earth’s lower mantle ». Earth and Planetary Science Letters. v. 224, n° 3-4, p. 241, 2004.
WENTZCOVITCH, R.M. et al. « Anomalous compressibility of ferropericlase throughout the iron spin crossover ». PNAS. v. 106, pp. 8.447-52, 2009.

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