Au cœur de la Terre, une machinerie chimique insoupçonnée

C'est une petite révolution que propose aux géologuesgéologues Nicholas Schmerr, jeune chercheur à l'Ecole de la Terre et de l'exploration spatiale de l'université de l'Etat d'Arizona. Selon lui, les manuels sont à revoir. Tous expliquent les structures internes de la Terre à l'aide, essentiellement, de deux phénomènes physiquesphysiques, la pressionpression et la température, qui augmentent toutes deux avec la profondeur. Mais les études qu'il a menées avec son collègue et professeur Edward Garnero, sous le sous-sol de l'Amérique du sud, à partir d'un réseau de 500 sismomètres, indiquent que la chimiechimie joue aussi un rôle. Ce n'est pas la première fois qu'une telle proposition est faite mais ici les observations y conduisent directement.

Leurs travaux, dont les résultats viennent d'être publiés dans Science, portent sur la limite séparant les parties dites supérieure et inférieure du manteaumanteau (cette vaste zone entre la croûte terrestre et le noyau, représentant 80 % du volumevolume de la Terre). Cette limite, située entre 400 et 650 kilomètres de profondeur, et appelée zone de transition, est marquée par un changement dans la structure des minérauxminéraux et se repère facilement parce qu'elle induit une variation nette de la vitessevitesse des ondes sismiques. A cause de la température et de la pression, l'olivine, un des constituants principaux, change de forme cristallineforme cristalline. C'est ce que les physiciensphysiciens appelent une transition de phasetransition de phase.

La zone de transition séparant le manteau supérieur (en vert) du manteau inférieur (en bleu) se situe ici entre 410 et 660 kilomètres de profondeur. A sa frontière haute, la « couche 410 », l’olivine se transforme. Là où la température est plus faible, cette limite remonte (au niveau du diverticule noir représentant la plongée de la plaque océanique sous le continent). On remarque que, à 660 kilomètres, niveau d’une autre transition de ce minéral, l’effet est inversé et cette limite s’enfonce. © Nicholas Schmerr

L’olivine va trop loin

Dans la région étudiée par les chercheurs, cette zone de transition se situe entre 410 et 660 kilomètres. A 410 kilomètres, l'olivine devient de la wadsleyitewadsleyite, et, plus bas encore, adopte une structure dite spinellespinelle, celle de la ringwooditeringwoodite. Enfin, à 660 kilomètres, sous une pression de 25 gigapascals (soit 250.000 fois la pression atmosphériquepression atmosphérique) et une température de 2.000 °C, on la trouve sous forme d'un mélange de deux minéraux, la pérovskitepérovskite et la magnésowüstite.

Jusque-là, on pensait ces transitions strictement liées à la température et à la pression. La première, appelée couche 410 par les chercheurs, devrait, nous dit la physique, remonter dans les zones où le manteau est un peu plus froid. Or, c'est justement le cas sous l'Amérique du sud. Là-bas, en effet, le manteau est moins chaud... Du côté ouest, sous la mer, la plaque Pacifique s'enfonce loin sous le continent américain et vient rafraîchir les couches profondes.

Donc, affirme la physique, la couche 410 devrait se trouver plus haut. Nicholas Schmerr et Edward Garnero sont allés vérifier : elle est plus basse !

Les chercheurs envisagent deux explications, en appelant toutes deux à la chimie. Dans la première, de l'hydrogènehydrogène, issu de l'eau de mer, est transporté par la subductionsubduction de la plaque Pacifique et modifie les conditions dans lesquelles l'olivine opère sa transition de phase vers la wadsleyite. Celle-ci, hydratée et moins dense, peut alors se retrouver bien plus bas. La seconde hypothèse envisage le rôle de la composition chimique de la plaque Pacifique, pauvre en ferfer et riche en magnésiummagnésium. Plus stable, ce milieu retarde la transition de phase de l'olivine, qui se forme alors plus bas.

Le manteau sous l'Amérique du sud est-il donc vraiment plus froid ou bien l'explication chimique suffit-elle ? « A 660 kilomètres, nos mesures indiquent bien une température moins élevée, rapporte Nicholas Schmerr. Donc ce manteau est à la fois plus froid et chimiquement différent. »

Les géologues, qui mettent déjà un peu de chimie dans leur physique, devront donc augmenter la dose...