Une nouvelle façon de voir l'intérieur de la Terre

On sait actuellement que la composition chimique du manteau terrestre est relativement homogène. Mais les expériences menées par des chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich montrent aujourd'hui que cette vision est trop simpliste. Leurs résultats résolvent un problème clé auquel sont confrontées les géosciences - et soulèvent de nouvelles questions.
Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich utilisent un ensemble de tests complexes pour examiner le comportement des roches dans les profondeurs de la Terre. Le spécimen se trouve dans le bloc au centre de la photo. (Photo : M. Murakami, ETH Zurich)

Il y a des endroits qui seront toujours hors de notre portée. L'intérieur de la Terre est l'un d'entre eux. Mais nous avons des moyens de comprendre ce monde inconnu. Les 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. Il y a aussi les roches volcaniques qui émergent à certains endroits de la surface de la Terre de l'intérieur et qui fournissent des indices importants sur la composition chimique du manteau. Et enfin, il y a les 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 de son équipe a récemment été présentée dans la revue PNAS et montre à quel point de telles expériences peuvent être éclairantes. Leurs conclusions suggèrent que la compréhension de l'intérieur de la Terre par de nombreuses et nombreux géoscientifiques est peut-être trop simpliste.

Un changement spectaculaire

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

On ne sait pas s'il s'agit simplement d'une frontière physique ou si la composition chimique de la roche change également à cet endroit. De nombreuses et nombreux géoscientifiques supposent que l'ensemble du manteau terrestre est composé de manière relativement constante de roches riches en magnésium, qui ont à leur tour une composition similaire à celle des roches péridotites que l'on trouve à la surface de la Terre. Ces envoyés du manteau supérieur, qui arrivent à la surface de la Terre par le biais d'événements comme les 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 Motohiko 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 cette 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 qu'elle a donc la même composition globale que ces météorites. La différenciation de la Terre en noyau, manteau et croûte s'est faite dans une deuxième étape.

En laissant de côté le fer et le nickel, qui font maintenant partie du noyau de la planète, il devient évident que le manteau devrait en fait contenir plus de silicium que la roche péridotitique. D'après 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 se trouve le silicium manquant ? Et il y a une réponse évidente : le manteau de la Terre contient si peu de silicium parce qu'il se trouve dans le noyau de la Terre. Mais Motohiko Murakami arrive à une conclusion différente, à savoir que le silicium se trouve dans le manteau inférieur. Cela signifierait que la composition du manteau inférieur est différente de celle du manteau supérieur.

Hypothèse d'enroulement

L'hypothèse de Motohiko Murakami prend quelques tournants : Premièrement, nous savons déjà précisément à quelle vitesse les ondes sismiques traversent le manteau. Deuxièmement, des expériences en laboratoire montrent que le manteau inférieur est principalement constitué de bridgmanite, un minéral siliceux, et de ferropericlase, un minéral riche en magnésium. Troisièmement, nous savons que la vitesse de propagation des ondes sismiques dépend de l'élasticité des minéraux qui composent la roche. Ainsi, si les propriétés élastiques des deux minéraux sont connues, il est possible de calculer les proportions de chaque minéral nécessaires pour établir une corrélation avec la vitesse observée des ondes sismiques. Il est alors possible de déduire quelle doit être la composition chimique du manteau inférieur.

Si les propriétés élastiques de la ferropericlase 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 précisément, elle varie en fonction de la quantité de fer que contient la bridgmanite.

Des mesures qui prennent du temps

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

Ils et elles ont ensuite dirigé un faisceau laser sur l'échantillon et ont mesuré le spectre d'onde de la lumière dispersée de l'autre côté. En utilisant les déplacements dans le spectre d'onde, ils et elles ont pu déterminer l'élasticité du minéral à différentes pressions. «Il a fallu beaucoup de temps pour effectuer les mesures», rapporte Motohiko Murakami. «Comme plus la bridgmanite contient de fer, moins elle est perméable à la lumière, il nous a fallu jusqu'à quinze jours pour effectuer chaque mesure.»

Découverte du silicium

Motohiko 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 constitue 88 à 93 % du manteau inférieur», dit-il, «ce qui donne à cette région un rapport magnésium-silicium d'environ 1,1». L'hypothèse de Motohiko Murakami résout donc le mystère du silicium manquant.

Mais ses découvertes soulèvent de nouvelles questions. Nous savons par exemple que dans certaines zones de subduction, la croûte terrestre s'enfonce profondément dans le manteau - parfois même jusqu'à la limite du noyau. Cela signifie que les manteaux supérieur et inférieur ne sont en fait 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.

Référence

Mashino I, Murakami M, Miyajima N, Petitgirard S: Experimental evidence for silica-​enriched Earth's lower mantle with ferrous iron dominant bridgmanite. PNAS, 19. Oktober 2020, doi: 10.1073/pnas.1917096117.