La post-perovskite, un minéral de très haute pression

Tristan Ferroir

Laboratoire de Sciences de la Terre, ENS Lyon

Olivier Dequincey

Ens Lyon / DGESCO

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

10/10/2008

Résumé

L'"olivine" dans le manteau inférieur : la post-perovskite, une avancée en minéralogie des phases de très haute pression.


Cet article est basé sur la page " La post-perovskite " du site personnel de Tristan Ferroir.

Rappel : manteau silicaté et olivine

L'olivine, (Mg,Fe)2SiO4 et généralement (Mg1,8,Fe0,2)SiO4, est, sous diverses formes, le composant majeur du manteau terrestre. Connaître ses propriétés physiques et chimiques est nécessaire pour comprendre les propriétés chimiques et mécaniques du manteau et leurs variations avec la profondeur.

Le terme "olivine" est réservé au minéral observable par exemple dans des basaltes ou des nodules de péridotites. Cette olivine est la plupart du temps une solution solide composée de 90% de forstérite (pôle magnésien Mg2SiO4) et de 10% de fayalite (pôle ferreux Fe2SiO4). Un nom de minéral correspond normalement à une chimie et à une structure cristallographique fixes. Cette structure est fortement dépendante des conditions de pression et de température. Ainsi, dans le manteau, l'assemblage chimique "olivine" ne conserve pas la même structure cristallographique en fonction de la profondeur à laquelle on se situe.

Cependant, les noms de minéraux sont parfois utilisés pour désigner la seule structure du minéral originel. D'où les expressions telles que "olivine-spinelle", signifiant olivine (au sens chimique, (Mg,Fe)2SiO4) avec la structure du minéral spinelle, Al2(Mg, Fe)04.

Dans les années 1970, la suite minéralogique suivante a été élaborée pour illustrer l'évolution de l'olivine avec la profondeur :

  • olivine --> olivine-spinelle (vers 410 km) --> "perovskite" (Mg, Fe)SiO3 + magnésiowustite MgO (vers 66O km)

    Le terme "perovskite" désigne ici la structure de la perovskite, minéral rare sauf dans les bonnes collections minéralogiques, de formule CaTi03. Dans la suite de l'article, le terme perovskite désignera la perovskite silicatée ou MgSiO3-perovskite.

La minéralogie des hautes pressions ayant évolué, de nouvelles transitions de phases ont été observées et de nouvelles dénominations sont aujourdh'ui utilisées :

  • olivine usuelle (= olivine α) --> wadsleyite (= olivine β) (vers 410 km) --> ringwoodite (= olivine γ) (vers 520 km) --> perovskite (Mg, Fe)SiO3 + magnésiowustite MgO (vers 66O km)

    L'ancienne "olivine-spinelle" correspond donc à wadsleyite + ringwoodite, non distinguées à l'époque.

Figure 1. Diagramme de phase de l'olivine

Diagramme de phase de l'olivine

Cliquez sur le nom des minéraux pour voir leur structure (animations S. Merkel) : Olivine (phase α), wadsleyite (phase β), ringwoodite (phase γ), perovskite, magnésiowüstite.

Le passage ringwoodite --> perovskite correspond au passage manteau supérieur --> manteau inférieur.


La suite de cet article s'intéresse au devenir de la perovskite, issue de l'"olivine" et autres phases magnésio-silicatées (pyroxènes), à la base du manteau inférieur.

Historique

La post-perovskite a été découverte simultanément par deux équipes, l'une dirigée par Murakami du Tokyo Institute of Technology et l'autre par Oganov de l'ETH Zurich. La première a réalisé une synthèse expérimentale de ce minéral grâce au dispositif de cellule à enclume diamant couplé à un chauffage laser. Quant à l'équipe d'Oganov, elle a prédit son existence théorique par des calculs ab initio (calculs théoriques à partir des données thermodynamiques et des lois connues) puis elle a vérifié l'existence de cette phase par des méthodes similaires à celles de Murakami.

Cette post-perovskite serait présente dans la couche D'' qui se trouve à la base du manteau inférieur vers 2900 km de profondeur, et résulterait de la transformation de la Mg-perovskite (photographie ci-dessous).

Figure 2. Vue au microscope, dans une cellule à enclume diamant, de Mg pérovskite

Vue au microscope, dans une cellule à enclume diamant, de Mg pérovskite

Pourquoi rechercher la post-perovskite ?

L'existence de cette phase a été supposée pour plusieurs raisons.

  • La discontinuité sismique au sommet de la couche D'' a une topographie importante, des variations de 10 à 100 km pour une couche d'épaisseur variable d'environ 200-300 km. Cette discontinuité avait souvent été expliquée par une composition chimique différente entre le manteau inférieur et la couche D''. Cependant, d'autres chercheurs tel Sidorin (travaux datant de 1998 et 1999), ont proposé l'existence d'une autre phase, ceci en combinant des modélisations dynamiques et sismiques. Il prévoyait une transition de phase entre un minéral du manteau inférieur (perovskite ou magnésiowustite) en une nouvelle phase avec une pente de Clapeyron de l'ordre de 6 MPa.K-1. Ce changement de phase devait se produire environ 150 km au-dessus de la limite noyau-manteau (ou CMB= Core-Mantle Boundary ) soit vers 2740 km de profondeur.

    Cependant, un des problèmes majeurs de la théorie de Sidorin était que cette transition de phase n'était pas connue.

  • Une observation faite en 2004 par Ono a donné beaucoup de crédit à la théorie de Sidorin. En effet, l'équipe d'Ono a observé que, comme MgSiO3, le minéral Fe2O3 se transformait en corindon/ilménite (du point de vue "structure") puis en perovskite "cristallographique" au fur et à mesure qu'on augmentait la pression. MgSiO3 et Fe2O3 semblaient donc avoir le même comportement face à la pression, ce qui faisait de Fe2O3 un bon analogue de MgSiO3. L'observation importante d'Ono fut qu'en continuant d'augmenter la pression, apparut une phase post-perovskite de Fe2O3 de type CaIrO3 à structure Cmcm au-dessus de 60 GPa. On pouvait donc penser que MgSiO3-perovskite devait donc subir une transformation similaire si on continuait à augmenter la pression : les chercheurs se sont alors mis en tête de trouver cette MgSiO3-post-perovskite.

La pente de Clapeyron, correspond à la pente de la courbe séparant deux phases dans un diagramme Pression-Température. Une pente positive signifie que, si le changement de phase s'effectue pour une pression P1 à une température T1, alors pour une pression P2 > P1, le changement de phase nécessite une température T2 >T1.

Cette pente est importante, par exemple, pour comprendre l'impact de l'introduction d'un corps froid dans le manteau profond. Les changements de phase avec pente positive se dérouleront à plus faible profondeur (plus faible pression) dans ce corps froid et dans son environnement "refroidi", alors que les changements de phase avec pente de Clapeyron négative auront lieu à plus forte profondeur (plus forte pression).

Découverte de la post-perovskite

Les deux groupes précédemment mentionnés ont donc tous deux découvert la post-perovskite quasiment en même temps. Nous nous proposons d'exposer comment l'équipe de Murakami l'a synthétisée.

À partir d'un échantillon amorphe de MgSiO3, les membres de l'équipe ont monté la pression jusqu'à 124 GPa dans une cellule à enclume diamant. Ils ont ensuite réalisé un chauffage laser aux alentours de 2250-2300 K à une pression de 105 à 114 GPa. Tous les pics de diffraction X ont pu être attribués à la perovskite et au platine (ce dernier servant à mesurer la pression, son équation d'état étant bien connue). Ils ont ensuite à nouveau augmenté la pression à température ambiante jusqu'à 127 GPa puis ont re-chauffé l'échantillon à des température de 2500 à 2600 K en faisant varier la pression entre 127 et 134 GPa pendant 70 minutes. De nouveaux pics sont apparus (notés N sur le spectre ci-dessous) sur la diffraction X alors que les pics de la perovskite (notés P sur le spectre) diminuaient. Il semblait donc qu'il y ait eu une transition qui consommait de la perovskite et formait cette nouvelle phase, la post-perovskite.


Structure de la post-perovskite

La post-perovskite est un minéral orthorhombique appartenant au groupe d'espace Cmcm. Les données minéralogiques obtenues par le biais de la diffraction X sont récapitulées dans le tableau suivant.


Figure 5. Structure 3D de la post-perovskite

Structure 3D de la post-perovskite

Diagramme de stabilité de la post-perovskite

De nombreuses études de la post-perovskite ont été faites et publiées à la suite de cette découverte. L'étude du diagramme de stabilité du couple perovskite / post-perovskite a notamment été réalisé par de nombreuses équipes. Il s'agit de connaître les couples pression-température pour lesquels la perovskite se transforme en post-perovskite. Murakami et Oganov ont réalisé, bien entendu, ces études ainsi que d'autres groupes tels que Tatane et ses collaborateurs ou bien encore Hirose et al. (diagramme ci-dessous) de façon expérimentale, ainsi que Hernlund et Labrosse à partir des observations sismiques et de flux thermiques au niveau de la limite noyau-manteau.


On peut voir que la pente de Clapeyron de la transition de phase est positive et de l'ordre de 4 à 12 MPa.K-1. Les écarts selon les auteurs sont dus pour une grande partie au calibrant de pression utilisé (or, platine, MgO...). Sidorin qui avait supputé l'existence d'une transition de phase pour expliquer les observations sismiques, proposait une pente de Clapeyron de l'ordre de 6 MPa.K-1. D'une part, ce n'est pas si loin et, de plus, le signe de la pente de Clapeyron est correct.

Ce diagramme de phase et sa pente de Clapeyron, ont une importance notable quant à la connaissance de la base du manteau terrestre. Nous allons aborder dans la partie suivante les implications géologiques de ces découvertes.

Implications géologiques liées à l'existence de la post-perovskite

Les observations faites au niveau de la couche D''

Une discontinuité importante des vitesses sismiques a été observée à de nombreux endroits dans la partie la plus basale du manteau, notamment à l'aplomb de l'Amérique Centrale et de la mer des Caraïbes, du Pacifique central et enfin de l'Atlantique Sud.

La discontinuité sismique D'' se situe au sommet de la couche D'' aux alentours de 2600-2700 km (119-125 GPa), quelques centaines de kilomètres au-dessus de la CMB ( Core-Mantel Boundary  = limite noyau-manteau). Une accélération des ondes sismiques de l'ordre de 2,5 à 3,0% se produit au niveau de cette discontinuité aussi bien pour les ondes P que pour les ondes S, même si cette discontinuité n'est pas présente partout, spécialement pour les ondes P. Avant la découverte de la post-perovskite, ces accroissements de vitesse n'étaient interprétés qu'en terme d'anomalies chimiques ou thermiques.

Les ondes sismiques de type S montrent une polarisation au niveau de la couche D''. La polarisation des ondes est horizontale, c'est-à-dire que les ondes traversant la couche D'' horizontalement ou latéralement vont plus vite que celles qui la traversent verticalement ou autrement dit transversalement. Cette polarisation engendre une différence de vitesse entre les deux ondes de l'ordre de 1 à 3%.

Les explications par la post-perovskite

Les paramètres d'élasticité de la perovskite et de la post-perovskite ont été calculés par de nombreux groupes (Iitaka, Tsuchiya et al., Oganov et Ono). Ceci a montré qu'à faible température la modification de vitesse due à la transition de phase devait augmenter la vitesse de l'ordre de 1% pour les ondes S et de -0.1% pour les ondes P. Cependant, les calculs réalisés par Stackhouse et ses collaborateurs pour les hautes températures montrent que l'augmentation de la vitesse des ondes S sera bien plus importante que celle des ondes P dont la vitesse sera très peu modifiée. Ces résultats sont généralement en accord avec les observations que nous avons présentées plus haut, notamment le fait que la discontinuité D'' est bien plus souvent détectée pour les ondes S que pour les ondes P.

Il est à noter tout de même que l'amplitude de l'augmentation reste faible au regard des observations, mais une orientation préférentielle des minéraux n'est pas à exclure, ce qui expliquerait ce saut de vitesse plus important.

De plus, la couche D'' est une couche limite thermique de la convection du manteau. Ceci implique donc une déformation horizontale importante due à la convection sus-jacente, ce qui peut orienter fortement les minéraux de post-perovskite. Des études faites par Miyajima et ses collaborateurs (photographie ci-dessous), en MET (Microscope Électronique à Transmission), sur des analogues montrent que cette déformation de la post-perovskite existe : le plan (010) s'aligne parallèlement à la déformation qui se réalise dans la couche D''. Dans ce cas, les ondes S polarisées horizontalement vont de l'ordre de 3 à 4% plus vite que celles polarisée verticalement. C'est exactement ce qui est observé.


Les conséquences géodynamiques

La pente de Clapeyron de la transition perovskite / post-perovskite montre que la réaction est fortement exothermique. Les simulations numériques de Nakagawa et Tackley ont montré qu'une réaction qui dégage autant de chaleur déstabiliserait la couche limite thermique et favoriserait la formation de panache. Cependant, il n'est pas sûr que cela provoque des panaches aussi larges que ceux connus au niveau du Pacifique Central et de l'Afrique mais plutôt des champs de petits panaches. Cependant, Matyska et Yuen ont suggéré que le transfert radiatif est très important dans la stabilisation de la couche thermique et que cela permettrait finalement la genèse de larges panaches. Parallèlement, les récentes tomographies haute résolution de Schubert montre qu'un panache est en fait une somme de plus petits panaches.

La pente de Clapeyron de la transition de phase est fortement positive. Ceci implique donc que la profondeur de la transition de phase va varier de façon importante avec la température. En effet, l'épaisseur de la couche D'' change de façon importante. De plus, il est possible d'avoir à plus forte profondeur un retour de la perovskite comme le suggère Hernlund et ses collaborateurs  : le géotherme coupe deux fois la courbe de transition de phase conduisant à l'enchaînement perovskite --> post-perovskite --> perovskite (voir figure ci-dessous). Ceci suggère que la phase dominante de la base du manteau change latéralement. Les variations de température peuvent notamment avoir pour origine l'arrivée d'une plaque plongeante qui va diminuer localement la température et donc remonter la transition perovskite / post-perovskite, ou bien le départ d'un panache dans lequel la post-perovskite pourra être absente.

Figure 8. Transitions perovskite / post-perovskite à la base du manteau

Transitions perovskite / post-perovskite à la base du manteau

Suivons, par exemple, le géotherme "modéré". Il coupe deux fois la courbe de transition de phase pv / post-pv (points oranges). Ceci conduit, en descendant dans le manteau le long de ce géotherme, à l'enchaînement perovskite (bleu) --> post-perovskite (vert) --> perovskite (bleu).

La phase de basse pression peut donc "réapparaître" à la base du manteau du fait de la forte augmentation de température (augmentation plus forte que la pente de Clapeyron). Cette augmentation importante de température aboutit aussi à la possible fusion de matériel mantellique à proximité de la limite noyau-manteau.


Synthèse sur couche D'' et post-perovskite

Finalement, on arrive à l'heure actuelle à l'image suivante (ci-dessous) de la couche D'' (d'après Hirose).

Figure 9. La couche D'' et les phénomènes associés

La couche D'' et les phénomènes associés

On note la présence d'une « ULVZ  »( Ultra Low Velocity Zone ) et de «  melting products  ».


On notera la présence d'une zone à vitesse (sismique) ultra-faible (ULVZ = Ultra Low Velocity Zone ) et de produits de fusion ( melting products ) de haute pression.

Références

  • M. Murakami, K. Hirose, K. Kawamura, N. Sata, Y. Ohishi, 2004. Post-Perovskite Phase Transition in MgSiO3. Science, 304, 5672, 855-858. doi : 10.1126/science.1095932
  • A.R. Oganov, S. Ono, 2004. Theoretical and experimental evidence for a post-perovskite phase of MgSiO3 in Earth's D" layer. Nature, 430, 445-448. doi : 10.1038/nature02701
  • P. Cordier, T. Ungár, L. Zsoldos, G. Tichy, 2004. Dislocation creep in MgSiO3 perovskite at conditions of the Earth's uppermost lower mantle. Nature, 428, 837-840. doi : 10.1038/nature02472
  • K. Hirose,Y. Fujita, 2005. Clapeyron slope of the post-perovskite phase transition in CaIrO3. Geophys. Res. Lett., 32, L13313. doi : 10.1029/2005GL023219
  • J.W. Hernlund, S. Labrosse, 2007. Geophysically consistent values of the perovskite to post-perovskite transition Clapeyron slope. Geophys. Res. Lett., 34, L05309. doi : 10.1029/2006GL028961
  • N. Miyajima, K. Ohgushi, M. Ichihara,T. Yagi, 2006. Crystal morphology and dislocation microstructures of CaIrO3: A TEM study of an analogue of the MgSiO3 post-perovskite phase. Geophys. Res. Lett., 33, L12302. doi : 10.1029/2005GL025001
  • J.W. Hernlund, C. Thomas, P.J. Tackley, 2005. A doubling of the post-perovskite phase boundary and structure of the Earth's lowermost mantle. Nature, 434, 882-886. doi : 10.1038/nature03472