Un nouveau regard sur l'intérieur de la Terre

Il y a des endroits qui resteront toujours inaccessibles à l'homme. L'intérieur de la Terre en fait partie. Pourtant, il existe des moyens de se faire une idée de ce monde inconnu. Par exemple, la vitesse de propagation des ondes sismiques établit des garde-fous importants sur la manière dont la Terre est structurée et sur les propriétés physiques des matériaux en profondeur. En outre, les roches volcaniques qui remontent à la surface à certains endroits profonds donnent des indications importantes sur la composition chimique du manteau terrestre. Enfin, des expériences en laboratoire permettent de simuler à petite échelle les conditions qui règnent à l'intérieur de la Terre.

Une nouvelle publication que Motohiko Murakami, professeur de physique minérale expérimentale, et son équipe viennent de publier dans la revue PNAS montre à quel point de telles expériences sont révélatrices. Les résultats des chercheurs permettent de conclure que l'image que de nombreux scientifiques de la Terre se font de l'intérieur de la planète est peut-être trop simpliste.

Changement brusque

Sous la fine croûte terrestre, qui n'a que quelques kilomètres d'épaisseur, le manteau terrestre, également composé de roches. Celui-ci entoure le noyau terrestre, qui commence à une profondeur de 2900 kilomètres. Sur la base des signaux sismiques, on sait qu'il existe une transition marquée dans le manteau terrestre à une profondeur d'environ 660 kilomètres : Les roches du manteau supérieur situées au-dessus de cette limite présentent des propriétés mécaniques différentes de celles du manteau inférieur situé en dessous, ce qui explique que la vitesse de propagation des ondes sismiques change brusquement à cette frontière.

Il n'est pas clair s'il s'agit uniquement d'une limite liée à la physique ou si la composition chimique des roches change également. De nombreux scientifiques de la Terre partent du principe que le manteau terrestre dans son ensemble a une composition relativement homogène et qu'il est composé de roches riches en magnésium, dont la composition est similaire à celle des roches de péridotite que l'on trouve à la surface de la Terre. Ces messagers du manteau supérieur sont par exemple transportés à la surface de la Terre par des volcans et présentent un rapport magnésium-silicium d'environ 1,3.

"La supposition que le manteau terrestre a une structure plus ou moins homogène repose sur une hypothèse relativement simple", explique Murakami. "A savoir que le manteau terrestre est toujours mélangé par les énormes courants de convection qui provoquent également les mouvements des plaques terrestres à la surface de la Terre. Mais cela est peut-être trop simple".

Où est le silicium ?

En fait, il y a un problème fondamental dans cette hypothèse. On part du principe que la Terre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années par l'agglomération de météorites et qu'elle présente donc globalement la même composition que les météorites issues de la nébuleuse solaire originelle. La différenciation de la Terre en noyau, manteau et croûte terrestre a suivi dans un deuxième temps.

Si l'on déduit le fer et le nickel qui se trouvent aujourd'hui dans le noyau terrestre, il apparaît que le manteau terrestre devrait contenir beaucoup plus de silicium que les roches de péridotite. Sur la base de ce calcul, le manteau terrestre devrait avoir un rapport magnésium-silicium d'environ 1 - et non 1,3.

Pour les scientifiques de la Terre, la question qui se pose est donc la suivante : où se trouve le silicium manquant ? Là aussi, la réponse est évidente : s'il y a si peu de silicium dans le manteau terrestre, c'est parce qu'il se trouve dans le noyau terrestre. Mais Murakami arrive à une autre conclusion : le silicium se trouve dans le manteau terrestre inférieur. Celui-ci aurait donc une composition différente de celle du manteau supérieur.

Raisonnement tortueux

L'argumentation de Murakami est quelque peu tortueuse : Premièrement, on sait aujourd'hui assez précisément à quelle vitesse les ondes sismiques se propagent dans le manteau terrestre. Deuxièmement, on sait, grâce à des expériences en laboratoire, que le manteau terrestre inférieur est essentiellement composé de bridgmanite, un minéral riche en silicium, et de ferropériclase, un minéral riche en magnésium. Troisièmement, on sait que la vitesse de propagation des ondes sismiques dépend de l'élasticité des minéraux qui composent les roches.

Si l'on connaît donc les propriétés élastiques des deux minéraux, on peut calculer quel rapport de mélange des deux minéraux correspond à la vitesse de propagation observée des ondes sismiques. Et on peut alors en déduire quelle doit être la composition chimique du manteau terrestre inférieur.

Alors que les propriétés élastiques des ferropériclas sont connues, ce n'est pas encore le cas pour la bridgmanite. Cela s'explique par le fait que l'élasticité de ce minéral dépend fortement de sa composition chimique. L'élasticité de ce minéral varie en fonction de la quantité de fer incorporée dans la bridgmanite.

Des mesures coûteuses

Murakami a maintenant réalisé des expériences à haute pression avec ce minéral dans son laboratoire, en expérimentant différents mélanges. Dans un premier temps, les chercheurs ont coincé une petite quantité d'échantillon entre deux pointes de diamant, puis les ont pressées l'une contre l'autre à l'aide d'un dispositif spécial. L'échantillon est ainsi soumis à une pression extrêmement élevée, comme c'est le cas dans le manteau terrestre inférieur.

Dans un deuxième temps, les chercheurs ont envoyé une lumière laser sur l'échantillon et ont ensuite mesuré de l'autre côté le spectre d'ondes de la lumière diffusée. À partir des décalages dans le spectre d'ondes, ils ont pu déterminer à quel point le minéral se comporte de manière élastique dans les conditions de pression correspondantes. "Les mesures ont été très laborieuses", rapporte Murakami. "Comme la bridgmanite devient moins perméable à la lumière lorsque la teneur en fer augmente, il nous a fallu jusqu'à quinze jours pour effectuer une seule mesure à chaque fois".

Le silicium est trouvé

En se basant sur les valeurs obtenues, Murakami a ensuite modélisé quelle composition correspondait le mieux à la propagation des ondes sismiques. Les résultats confirment sa thèse selon laquelle la composition du manteau terrestre inférieur est différente de celle du manteau supérieur. "Nous partons du principe que cette zone de la Terre est composée de 88 à 93 pour cent de bridgmanite", estime Murakami. "Le manteau terrestre inférieur a donc un rapport magnésium-silicium d'environ 1,1". Selon Murakami, l'énigme du manque de silicium est donc résolue.

Mais ces résultats soulèvent aussi de nouvelles questions. On sait par exemple que dans certaines zones de subduction, la croûte terrestre est poussée profondément dans le manteau terrestre, parfois même jusqu'à la limite du noyau terrestre. Le manteau terrestre supérieur et le manteau terrestre inférieur ne sont donc pas en soi des entités hermétiquement séparées. On ne sait toujours pas comment les deux zones interagissent entre elles et comment fonctionne exactement la dynamique à l'intérieur de la Terre pour qu'au final, des zones du manteau chimiquement différentes se forment.