La cristallographie : application à l'étude de la Terre

L'intérieur de la planète Terre se découpe de la manière suivante : la croûte, le manteau supérieur, le manteau inférieur, le noyau externe et le noyau interne ou graine. Sur la figure 1, ces différentes couches sont représentées avec les pressions associées, qui peuvent atteindre 350 GPa (soit 3,5 millions d'atmosphères). Les températures pourraient monter jusqu'à 6 000 K environ.

Si l'on souhaite étudier l'objet Terre au laboratoire, il est légitime de se demander comment générer de telles pressions. La cellule à enclumes de diamant apporte cette possibilité. Elle a été inventée dans les années 1950. Il s'agit d'un dispositif extêmement simple constitué de deux diamants face à face et d'un joint métallique au milieu (figure 2). L'échantillon à étudier se trouve dans une cavité dans le joint métallique, en présence d'un milieu liquide ou solide qui permet de transmettre la pression. Lorsque l'on comprime l'ensemble, le joint métallique se déforme et la pression augmente dans la cavité.

La pression est une force par unité de surface, ainsi pour atteindre une très forte pression, il faut un objet qui soit capable de maintenir une très grande force, donc un objet extrêmement dur. Le diamant possède des caractériqtiques de résistance à la compression exceptionnelles. On applique alors une très grande force sur une toute petite surface dans le but d'avoir une très forte pression.

À l'aide de la cellule à enclumes de diamant, on peut atteindre des pressions variant de 0,1 MPa à presque 10³ GPa. Cette gamme de pressions est comparable à celle présente dans l'intérieur de la Terre, voir figure 2. La cellule à enclumes de diamant est ainsi un outil qui permet d'explorer ce qui se passe à l'intérieur de la Terre.

Nous ne devons pas la découverte des différentes couches de la Terre à la cellule à enclumes de diamant, mais à la sismographie. Lors d'un tremblement de terre, les différents sismographes de la planète enregistrent les profils de vitesse des ondes transmises. Il est ensuite possible de remonter à la déviation des ondes sismiques, et de mettre en relief les discontinuités dans la densité de la Terre, discontinuités expliquées par la structure en couches.

Cette structure en couches apparaît clairement sur la figure 3 où l'on représente la vitesse des ondes en fonction de la profondeur. Les vitesses des ondes de cisaillement, notées S (en rouge sur le graphique) et de compression ou longitudinales, notées P (en bleu) sont mesurées lors de leur traversée de la planète et sont modifiées en fonction de la profondeur. Ces vitesses présentent une série de discontinuités qui sont dues en particulier à des transformations cristallographiques des minéraux qui composent la Terre.

Dans le manteau les ondes de compression vont plus vite que celles de cisaillement, cela permet de déterminer, à l'aide d'autres paramètres le profil de densité (en vert sur le graphique). Lorsque l'onde arrive au noyau liquide on n'observe plus de vitesse de cisaillement. La viscosité du noyau est constante quelle que soit la contrainte de cisaillement, le liquide n'est pas modifié par le cisaillement. Cette technique permet notamment de déterminer la limite entre le manteau inférieur et le noyau liquide.

La couche appelée D", représentée en rose sur le graphique de la figure 3, se situe à une distance de 250 km de la croûte terrestre où règne une pression de 150 GPa. La nature de cette région de la Terre est restée très mystérieuse pendant longtemps. La couche D" peut être facilement mise en évidence grâce à des anomalies de vitesse de cisaillement pour lesquelles on observe des variations jusqu'à 3 %, figure 4.

Pour comprendre ce mystère des anomalies de vitesse, s'est posée la question de savoir si ces hétérogénéités sismiques étaient dues à des hétérogénéités chimiques dans la couche D", juste au-dessus du noyau liquide, ou si cela pouvait être dû à une transition de phase.

Les géophysiciens ont déterminé, en couplant de nombreuses informations, que le manteau profond est constitué essentiellement de perovskite (terme regroupant les composés de forme AXO₃), sous la forme de silicate de magnésium MgSiO₃ (dénommée depuis peu Bridgmanite) avec un peu de magnésiowüstite.

Différentes structures de perovskites sont représentées sur la figure 5. On trouve de la perovskite CaTiO₃ sur la surface de la Terre. Sa structure est semblable à celle d'autres matériaux utilisés d'intérêt technologique comme les supraconducteurs de haute température critique. La structure idéale de la perovskite est le titanate de Barium BaTiO₃. C'est une structure cubique dans laquelle les titanium (octaèdres) sont au centre, les oxygènes sont placés aux sommets et les atomes de barium sont placés entre les octaèdres. Cette structure est plus simple que la perovskite composant la couche D" (MgSiO₃), car les axes des octaèdres ont légèrement glissé et amènent une petite distorsion.

Comment analyser le système pour percer le mystère de la couche D" ?

Pour pouvoir combiner ces conditions, on se sert d'un synchrotron de troisième génération pour obtenir un faisceau de rayons X de taille micrométrique.

Le dispositif est présenté dans la figure 6. On a besoin d'optique focalisante de rayon X, pour faire de la diffraction, mais aussi de l'infrarouge pour chauffer le cristal et finalement de lumière visible pour aligner le matériel d'optique. La cellule à enclumes de diamant se trouve au milieu du dispositif. À gauche, deux lasers Yag servent à chauffer l'échantillon à travers chacun des deux diamants de la cellule (faisceau représenté en orange) afin de placer l'échantillon proche des températures au niveau de la couche D". Le synchrotron, de 1km de circonférence et des miroirs focalisants amènent le faisceau de rayon X jusqu'à une dimension de 2 micromètres sur l'échantillon (faisceau représenté en pointillés rouge).

Il faut aussi synthétiser l'échantillon de perovskite présent dans le manteau inférieur de la Terre (figure 7). On part de perovskite amorphe MgSiO₃ en la portant dans un permier temps à haute température, sous une pression de 110 GPa, on cristallise la perovskite. Dans un deuxième temps on continue d'augmenter la pression à température ambiante. Finalement en montant la température à 2600 K, on trouve, dans le diffractomètre, la perovskite MgSiO₃ ainsi qu'une nouvelle phase : la post-pérovskite.

Cette découverte résulte d'un travail assez récent (2004) publié dans la revue Science. La couche D" semble dominée par la présence de la post-perovskite qui présente une structure plus laméllaire que la perovskite et donc plus d'anisotropie.

Le mystère de la composition de la couche D" a été levé par la présence de la post-pérovskite. Mais comment expliquer les anomalies de vitesse des ondes sismiques ?

Les géophysiciens pensent qu'il y a des panaches convectifs au niveau de cette couche D" (figure 8), créés par les mouvements de la lithosphère froide et du manteau chauffé par le noyau liquide. Les flux et reflux de matière vont orienter les plans de la post-perovskite. Ainsi l'anisotropie cristalline est liée à l'anisotropie élastique : les ondes sismiques ne se comportent pas de la même façon quand elles traversent les zones de textures différentes.

Ce mystère qui a été percé a des conséquences :