Conception artistique des couches internes de la Terre. Crédit d'image: S. Jacobsen, M. Wysession et G. Caras. Cliquez pour agrandir
Récemment, les sismologues ont observé que la vitesse et la direction des ondes sismiques dans le manteau inférieur de la Terre, entre 400 et 1 800 milles sous la surface, varient énormément. «Je pense que nous avons peut-être découvert pourquoi les ondes sismiques s'y déplacent de manière si irrégulière» a déclaré Jung-Fu Lin. * Lin était au laboratoire de géophysique de la Carnegie Institution au moment de l'étude et auteur principal de l'article publié dans le numéro du 21 juillet de Nature. «Jusqu'à cette recherche, les scientifiques ont simplifié les effets du fer sur les matériaux du manteau. C'est le métal de transition le plus abondant de la planète et nos résultats ne sont pas ce que les scientifiques ont prédit ,? il a continué. «Nous devrons peut-être reconsidérer ce que nous pensons qui se passe dans cette zone cachée. C'est beaucoup plus complexe que nous ne l'imaginions.
Les pressions écrasantes dans le manteau inférieur resserrent si étroitement les atomes et les électrons qu'ils interagissent différemment des conditions normales, forçant même les électrons en rotation à s'associer en orbite. En théorie, le comportement des ondes sismiques à ces profondeurs peut résulter de l'effet de la pression de préhension sur l'état de spin des électrons du fer dans les matériaux du manteau inférieur. L'équipe de Lin a effectué des expériences à ultra haute pression sur le matériau oxyde le plus abondant, le magnesiow? Stite (Mg, Fe) O, et a constaté que les changements d'états de spin des électrons du fer dans ce minéral affectent considérablement les propriétés élastiques du magnesiow? Stite . La recherche pourrait expliquer les anomalies complexes des ondes sismiques observées dans le manteau le plus bas.
En tant que co-auteur de l'étude, Viktor Struzhkin a élaboré: «Il s'agit de la première étude à démontrer expérimentalement que l'élasticité du magnésium varie considérablement sous des pressions inférieures du manteau allant de plus de 500 000 à 1 million de fois la pression au niveau de la mer (1 atmosphère ). La magnésie, contenant 20% d'oxyde de fer et 80% d'oxyde de magnésium, représenterait environ 20% du manteau inférieur en volume. Nous avons constaté que lorsqu'ils étaient soumis à des pressions comprises entre 530 000 et 660 000 atmosphères, les spins d'électrons du fer passaient d'un état de spin élevé (non apparié) à un état de spin bas (apparié par spin). Tout en surveillant l'état de rotation du fer, nous avons également mesuré le taux de variation du volume (densité) de magnésite à travers la transition électronique. Ces informations nous ont permis de déterminer comment les vitesses sismiques varieront au cours de la transition.?
"Étonnamment, les ondes sismiques en vrac se déplacent environ 15% plus rapidement une fois que les électrons du fer sont couplés en spin dans l'oxyde de magnésium et de fer". a commenté le co-auteur Steven Jacobsen. "Le saut de vitesse mesuré à travers la transition pourrait, par conséquent, être détectable sismiquement dans le manteau profond." Les expériences ont été menées à l'intérieur d'une cellule de pression à enclume de diamant en utilisant la source de lumière à rayons X intense de la source synchrotron de troisième génération du pays, l'Argonne National Laboratory, près de Chicago.
«La mystérieuse région du manteau inférieur ne peut pas être échantillonnée directement. Nous devons donc compter sur l'expérimentation et la théorie. Puisque ce qui se passe à l'intérieur de la Terre affecte la dynamique de la planète entière, il est important pour nous de découvrir ce qui cause le comportement inhabituel des ondes sismiques dans cette région ,? déclara Lin. «Jusqu'à présent, les scientifiques de la Terre ont compris l'intérieur de la Terre en ne considérant que les oxydes et les silicates purs. Nos résultats indiquent simplement que le fer, le métal de transition le plus abondant sur toute la Terre, donne naissance à des propriétés très complexes dans cette région profonde. Nous attendons avec impatience nos prochaines expériences pour voir si nous pouvons affiner notre compréhension de ce qui s'y passe ,? conclut-il.
Source d'origine: communiqué de presse de l'établissement Carnegie
