Zoom Science-Mars 2011

Ferropericlase et sismologie :
l’invisible transition de spin

Résumé : Depuis peu, les scientifiques ont détecté une transition de spin dans le ferropericlase, minéral majeur du manteau inférieur ; un changement de structure électronique considéré comme source d’anomalie sismique ! Mais une transition de spin qui n’apparaît pas à travers les données sismiques renseignées par la vitesse de propagation des ondes acoustiques. Pourquoi ? Dans la revue Science, les chercheurs de l’IMPMC l’expliquent et démontrent que ce phénomène n’a aucun effet sur la vitesse du son dans ce minéral.

Texte principal :

Impossible d’échantillonner les parties les plus profondes de notre planète. Les seules informations disponibles proviennent en grande partie de la sismologie. Les données sismiques sont reliées à des modèles géophysiques, grâce à la caractérisation des changements de propriétés des minéraux induits par l’augmentation de la pression et de la température avec la profondeur. C’est pourquoi les chercheurs s’intéressent au ferropericlase, minéral majeur du manteau inférieur de la Terre. Un minéral d’autant plus intéressant qu’il présente une transition de spin jusque-là invisible en sismologie.

Dans la revue Science, les chercheurs de l’IMPMC expliquent pourquoi.

Avec les mesures d'élasticité du ferropericlase, ils montrent de manière directe, que la transition de spin, qui apparait aux conditions de pression et température du manteau inférieur dans les minéraux contenant du fer, ne modifie pas la vitesse de propagation des ondes acoustiques (ondes de compression P et ondes de cisaillement S), principale grandeur sismique mesurable, mais seulement l'anisotropie de cisaillement de ce minéral.

Le tenseur élastique (i.e. l'ensemble des constantes élastiques indépendantes qui relient contrainte et déformation) du ferropericlase (Mg_0.83Fe_0.17) est ici mesuré aux conditions de pression de la transition de spin et jusqu'à 70 GPa (correspondant à ~ 1700 km de profondeur), par diffusion inélastique des rayons X. Les expériences sont effectuées sur la ligne de lumière ID28 de l'ESRF ( European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble) sur des monocristaux de ferropericlase comprimés en cellule à enclumes de diamant . Ces mesures, permettent de contraindre les vitesses acoustiques des ondes P et S et l'anisotropie de cisaillement dans ce minéral.

La Figure présente l'évolution des vitesses acoustiques des ondes P et S en fonction de  la densité (profondeur) dans le ferropericlase (pour un agrégat polycristallin). Les vitesses des ondes P et S ne présentent ici pas de changements liés à la transition de spin. En contraste avec ces observations, de récents travaux expérimentaux et théoriques soulignent qu'un ramollissement des propriétés élastiques pouvait se produire en profondeur (1300-1800 km) avec la transition de spin. Pourtant, à cette profondeur, il n'y a aujourd'hui aucune évidence sismologique démontrant l'existence d'une telle anomalie élastique. Cette étude fournit donc une explication à l'absence de signature sismique associée à la transition de spin.

Donc, pour que la sismologie puisse isoler ce phénomène, elle ne doit plus considérer uniquement la vitesse moyenne de propagation du son dans l’intérieur de la Terre, mais aussi se baser sur les vitesses de propagation pour chacune des directions dans chaque minéral (tomographie sismique).

Légende de la  figure : ici on observe l’évolution de la vitesse du son mesurée dans le ferropericlase comprimé en cellule à enclumes diamant en fonction de sa densité (qui par ailleurs, augmente en fonction de la profondeur d’enfouissement dans la Terre). Cette évolution ne révèle aucune modification de vitesse, qui n’est donc pas modifiée par la transition de spin.