Quand le manteau de la Terre rencontre son noyau

Au dessus du noyau externe de la Terre constitué de fer liquide, le manteau solide est composé pour l’essentiel d’oxydes de magnésium, de fer et de silicium. Leur frontière, située à 2900 kilomètres sous nos pieds, intrigue fortement les géophysiciens. Avec une pression de près de 1,4 million de fois la pression atmosphérique et une température de plus de 4000 kelvins, cette région est en effet le siège de réactions chimiques et de changements d’état de la matière encore méconnus. Tous les sismologues qui ont étudié la question ont constaté une brusque diminution de la vitesse des ondes sismiques, qui atteint parfois 30 % lorsqu’on s’approche à quelques kilomètres de cette frontière. Depuis près de 15 ans, ce constat a conduit à formuler l’hypothèse, aujourd’hui vérifiée, de la fonte partielle du manteau terrestre au niveau de cette frontière manteau-noyau.

Pour accéder aux profondeurs de la Terre, les scientifiques disposent non seulement d’images sismologiques mais également d’une technique expérimentale précieuse : les cellules à enclumes de diamants⁽¹⁾ couplées à un chauffage laser. Cet instrument permet de recréer les mêmes conditions de pression et de température que celles régnant à l’intérieur de la Terre, sur des échantillons de matière de quelques microns. C’est cette technique qu’ont employée les chercheurs de l’Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés⁽²⁾ sur des échantillons naturels représentatifs du manteau terrestre qu’ils ont soumis à des pressions de plus de 140 gigapascals (soit 1,4 millions de fois la pression atmosphérique) et des températures de plus de 5 000 kelvins. L’une des nouveautés : l’utilisation de la diffraction de rayons X⁽³⁾ au sein de l’anneau synchrotron européen ESRF. Ainsi, les scientifiques ont déterminé quelles phases minérales fondaient en premier et ont établi, sans extrapolation, des courbes de fusion du manteau terrestre profond (c’est-à-dire la caractérisation du passage de l’état solide à un état partiellement liquide). Leurs observations montrent que la fusion partielle du manteau est possible, dès lors que la température approche 4 200 kelvins. Ces expériences prouvent également que les liquides produits lors de cette fusion partielle sont denses, et qu’ils peuvent entraîner de nombreux éléments chimiques parmi lesquels des marqueurs importants de la dynamique du manteau terrestre. Ces études permettront aux géophysiciens et géochimistes de mieux connaître les mécanismes de différenciation de la Terre et l’histoire de sa formation commencée il y a quelques 4,5 milliards d’années.

Cette image obtenue dans un microscope électronique à balayage montre un échantillon de « manteau » après transformation, collé sur une grille en cuivre et aminci par focused ion beam (FIB). Elle permet d’apercevoir les différents minéraux synthétisés et liquides trempés lors de ces expériences : une matrice constituée d’une phase de structure perovskite de composition (Mg,Fe)SiO3 (il s’agit du minéral le plus abondant de la Terre car stable dans tout le manteau inférieur) apparaît en gris clair. On y distingue des veines et poches de liquides dont les compositions sont enrichies en fer et en calcium (en gris foncé). Copyright: G. Fiquet, IMPMC