L’oxyde de fer pourrait expliquer de mystérieuses anomalies sous la surface de la Terre

Sous la surface de la Terre, juste au-dessus du noyau métallique de fer de la planète, se trouve la limite noyau-manteau (CMB). Cette région extrême sépare le noyau externe de la planète de l’épaisse couche de roches en fusion et se trouve à environ 1 800 milles sous nos pieds.

Même s’il semble très lointain, le CMB a un impact sur notre monde d’en haut. Au cours de dizaines de millions d’années, des panaches de matière provenant du CMB peuvent remonter vers le centre de la Terre, façonnant l’activité volcanique, la chimie et la tectonique des plaques que nous expérimentons à la surface.

En mesurant les ondes sismiques, les scientifiques ont découvert l’existence de plusieurs régions étranges dans et autour du CMB, où les ondes se propagent beaucoup plus lentement que prévu. Depuis quelques temps, les scientifiques spéculent que ces régions pourraient être particulièrement riches en oxyde de fer, ce qui expliquerait le ralentissement des vagues. Mais les solides d’oxyde de fer pourraient-ils même exister à des températures et des pressions aussi extrêmes ? Selon une nouvelle étude publiée dans Communications naturellescela semble probable.

Une ancienne protoplanète se trouve-t-elle sous la surface de la Terre ?

Début novembre, des géophysiciens ont publié un article dans Nature ce qui suggère que deux étranges « gouttes » de matière inhabituelle trouvées dans le manteau le plus inférieur de la Terre pourraient être les restes d’une hypothétique protoplanète qui serait autrefois entrée en collision avec une jeune Terre. L’article, qui se concentre sur deux grandes provinces à faible vitesse (LLVP) situées profondément sous l’océan Pacifique et le continent africain, suggère qu’après une collision avec la Terre, des fragments de la protoplanète riche en fer auraient pu se retrouver piégés sous la surface de la Terre et se former. ces LLVP.

En plus de ces LLVP, il existe deux principales zones à ultra faible vitesse (ULVZ) que l’on peut trouver sur le CMB, l’une légèrement à l’ouest d’Hawaï et l’autre près de Samoa. Comme pour les LLVP, les scientifiques émettent l’hypothèse que la lenteur des ondes sismiques traversant les ULVZ est due aux niveaux élevés d’oxydes de fer présents dans ces zones. Mais on sait très peu de choses sur ces ULVZ.

“Comme nous ne pouvons pas simplement nous rendre au CMB et prendre des mesures, de nombreuses questions restent ouvertes sur une région si importante pour l’évolution de notre planète”, dit Jennifer Jacksonprofesseur William E. Leonhard de physique minérale au California Institute of Technology (Caltech) et auteur principal du nouveau Communications naturelles étude. “Pourquoi les ULVZ existent-ils et de quoi sont-ils faits ? Que nous apprennent-ils sur l’évolution de la Terre et quel rôle joue la région dans la dynamique de la Terre ? Les blobs sont-ils solides ou fondus dans les conditions extrêmes du CMB ? “

Curieux de savoir si les oxydes de fer pouvaient exister sous forme solide dans des conditions aussi extrêmes, le laboratoire de Jackson a effectué des mesures détaillées sur le comportement de l’oxyde de fer dans une plage de températures et de pressions similaires à celles trouvées dans le CMB. À partir de là, les chercheurs ont pu créer un diagramme de phases prouvant que l’oxyde de fer peut rester solide même à des températures très élevées.

Cela représente la preuve la plus solide à ce jour que les régions solides riches en fer pourraient constituer une explication réaliste du comportement étrange observé dans les ULVZ. De telles régions riches en fer pourraient même jouer un rôle central dans l’explication de l’activité volcanique, comme la génération de panaches profonds du manteau.

Une nouvelle méthode de spectroscopie examine le fer dans des conditions difficiles

Pour leur étude, l’équipe de Jackson a utilisé une nouvelle technique spectroscopique développée par l’équipe, pour observer la configuration dynamique des atomes dans des délais très courts.

La technique, appelée spectroscopie Mössbauer, peut prélever des échantillons plus petits que la largeur moyenne d’un cheveu humain et détecter la température précise à laquelle le matériau commence à passer d’un solide à un liquide, en fonction du mouvement des atomes dans l’échantillon au début de leur transition. sortir de leurs structures solides et répétitives de manière rigide et devenir plus fluides.

“Nous utilisons Mössbauer pour répondre à des questions sur le mouvement dynamique des atomes de fer”, dit ancien étudiant diplômé de Caltech Vasilije Dobrosavljevic, le premier auteur de l’étude. “Sur une courte période d’environ 100 nanosecondes, nous voulons savoir : bougent-ils à peine, comme dans un solide, ou bougent-ils beaucoup, comme dans un liquide ? Notre nouvelle étude complète la spectroscopie Mössbauer avec une méthode indépendante, X- la diffraction des rayons, qui nous permet d’observer les positions de tous les atomes de l’échantillon.”

Après des dizaines d’expériences, Dobrosavljevic, Jackson et leurs collègues ont découvert que l’oxyde de fer fond à plus de 4 000 Kelvins (environ 6 700 degrés Fahrenheit) à des pressions égales à celles trouvées dans le CMB. Ceci est plus élevé que les estimations précédentes, mais aussi, et surtout, plus élevé que les récentes estimations de température pour le CMB actuel, ce qui signifie que les oxydes de fer solides sont une possibilité réelle pour expliquer la composition des ULVZ.

Une découverte inattendue

L’étude a également donné un autre résultat, plus inattendu. À pression atmosphérique, les échantillons d’oxyde de fer présentent des défauts à l’échelle atomique. Pour 100 atomes d’oxygène, il n’y a qu’environ 95 atomes de fer dans le même espace, ce qui signifie qu’il manque 5 atomes de fer. Les scientifiques des matériaux s’intéressent à des choses telles que ces défauts peuvent avoir un impact significatif sur les propriétés des matériaux à plus grande échelle. Par exemple, de tels défauts pourraient affecter la façon dont une substance se déforme sous pression ou comment elle conduit la chaleur.

Ces défauts sont également intéressants pour les géophysiciens, qui peuvent utiliser les informations sur les défauts pour comprendre les intérieurs planétaires en étudiant où le flux de chaleur et la déformation des matériaux déterminent diverses dynamiques planétaires. Le comportement de ces défauts aux types de pressions et de températures observées dans le CMB était inconnu jusqu’à présent.

Grâce à leur nouvelle méthodologie, Dobrosavljevic et son équipe ont pu observer comment, à des températures inférieures de plusieurs centaines de Kelvins au point de fusion de l’oxyde de fer, les défauts atomiques mineurs du matériau peuvent commencer à se déplacer et à devenir « désordonnés » au sein de l’échantillon.

Les chercheurs pensent que cela pourrait expliquer les estimations plus faibles du point de fusion de l’oxyde de fer. Plutôt que de détecter la fusion de la structure cristalline entière, ces expériences ont constaté des déplacements de défauts.

“Avant que le cristal solide ne passe à l’état liquide, nous constatons que la structure du défaut subit une transition d’ordonnée à désordonnée”, a expliqué Dobrosavljevic. “Nous voulons maintenant savoir quel effet cette transition nouvellement découverte a sur les propriétés physiques des régions riches en fer comme l’ULVZ ? Comment les défauts affectent-ils le transport de chaleur, et qu’est-ce que cela signifie pour la formation et la génération de panaches d’upwelling qui atteindre la surface ? Ces questions guideront les recherches ultérieures.

Référence: Dobrosavljevic VV, Zhang D, Sturhahn W et al. Fusion et transitions de défauts dans FeO jusqu’aux pressions de la limite noyau-manteau terrestre. Nat Commun. 2023;14(1):7336. est ce que je: 10.1038/s41467-023-43154-w

Cet article est une reprise d’un communiqué de presse délivré par le California Institute of Technology. Le matériel a été modifié pour la longueur et le contenu.