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Géologue CNRS département INSU: SU Sciences de L’Univers
Science de la Terre et de l’Univers = sciences expérimentales
Expériences difficiles Problèmes échelles très grandes espace 105m
temps 1013s non reproductibles expérimentalement.
Observation nous renseigne sur des expériences déjà conduites par la
nature.’ Le présent est la clef du passé’ « Hutton » : Uniformitarisme
la nature des lois ne changent pas mais la vitesse et l’intensité des
processus peuvent changer.
IMPOSSIBLE de « voir « à travers la matière condensée sur grande
échelle de profondeur
XIXème siècle : De la Terre à la Lune, Vingt Mille Lieues sous les mers
Jules Vernes Le Voyage au centre de la Terre
XXème siècle : On a marché sur la Lune, touché le fond des océans,
on n’a pas pu voyager au centre de la Terre
XXIème siècle : On marchera sur Mars avant de toucher le noyau de la Terre
Radio, échographie:on envoie des ondes dans le corps et on enregistre le signal qui en ressort
Nous faisons de même avec le sous sol ?
Ligne sismique
Les dessous de la planète : anatomie de la TerreA
nato
mie
95 % de silicates
• 11 éléments chimiques composent 99,5% de la masse de la lithosphère
• O 46,6%
• Si 27,7%
• Al 8,13%
• Fe 5,0%
• Ca 3,63%
• Na 2,83%
• K 2,59%
• Mg 2,09%
1- la croû te 1.5 % vol-0.5% masse
Benitoïte
BaTiSi3O9
Bergenite
Ca2Ba4[(UO3)2O2(PO4)2]3(H2O)6
Barnesite
Na2V6O16�3(H2O)
Quartz
SiO2
Feldspath(K,Na) Al SI3O8
Mica
K(Mg,Fe)3
AlSi3O
10(OH)
2
+ grande géodiversité du syst. Solaire+ de 4000 minéraux
+ Ti-Mn-P
Cha
ires
min
éral
es
Manteau 84% vol 67% massele Manteau supérieur 30 km -> 200km
5 élémentsO 58%Si16%Mg20.4%Fe2.2%Al1.8%Ca1.3%
Jusqu’à 40 km : Olivine-Pyroxène-Plagioclase
De 40 à 70-80 km : Olivine-Pyroxène -Spinelle
De 70-80 à 200 km : Olivine-Pyroxène-Grenat
5 minéraux : olivine,pyroxène, plagioclase, spinelle, grenat
1 roche péridotite
Cha
ires
min
éral
es
des roches poinçonnées aux
frontières de plaquesEnclaves dans basaltesPhoto: P. Thomas
ITE
Péridotites à spinelle
Péridotites à grenat + éclogites
Cha
ires
min
éral
es
- > 200 km Base du Manteau supérieur
- 400-670 km Manteau / zone de transition
- 670-2900 km Manteau inférieur
suppose la connaissance de la chimie globale de la Terre => de ses enveloppes
Modèle minéralogique : au-delà de 200km expériences HP-HT en laboratoireE
XP
ER
IEN
CE
S
au delà de 200km de profondeur on fait appel au ciel
Composition chimique de la Terre le Soleil : la photosphère et la chronosphère
les météorites
CH
IMIE
Météorites primitives : les chondritescomme aucune roche sur Terre
billes (chondres) de métal et de silitates
Météorites différentiées : les achondrites
Croûte terrestre et autre grosse planètes
Cœur de la Terre
Alliage de fer
SILICATES
Noyau
Manteau
CroûteChondrites carbonées
Terre
Atm
osph
ère
OlivinePyroxèneVerre feldspathiqueMétal
Moteur de la différenciation : contraste de densité, affinitéschimiques, fusion partielle.
ManteauPrimitif (MP)
Noyau (N)
Manteau
Noyau
atmosphèrecroûte
Chondrites = Terreglobale (TG)
Terre primitive Terre différenciée
Moteur de la différenciation : contraste de densité, affinitéschimiques, fusion partielle.
atmosphère
CH
IMIE
On connaît la minéralogie de la Terre jusqu’à 200 km de profondeur
la chimie globale jusqu’à 2900km
�Péridotite : olivine pyroxène grenat
�On soumet ces roches et ces minéraux aux conditions de
pressions et de températures qui règnent à grande profondeur,
on établit leurs domaines de stabilités, on mesure leurs
propriétés élastiques (µ,ρ,K …)
La minéralogie du manteau profond
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
50
100
150
200
250
300
350800 160024003200400048005600
TEMPERATURE (K)
Pro f
ond e
ur (
k m)
Pre s
sion
(km
)
EX
PE
RIE
NC
ES
Le principe de l’appareil
Le minéral à étudier est placé entre deux diamants gemmes dans un trou
(environ 200 µm de diamètre) percé dans un joint métallique. Une fois
l'échantillon et des éclats de rubis en place, on rempli le reste du trou
avec un milieu transmetteur de pression (liquides organiques, gaz rares,
solides mous) et l'on comprime l'ensemble entre les deux diamants.
L’augmentation de la pression est induite par la réduction du volume du
trou
La cellule à enclumes de diamantE
XP
ER
IEN
CE
S
Mesurer la pression en cellule
diamant
Les éclats de rubis servent à mesurer la
pression. Ces derniers émettent une
fluorescence quand ils sont éclairés par
un faisceau laser. Les raies de
fluorescence se décalent avec la
pression. Ce décalage est calibré en
fonction de la pression.
La cellule à enclumes de diamantE
XP
ER
IEN
CE
S
Chauffage par four
Un microfour fait d'un bobinage de fil résistif
entoure les diamants. La transformation du
diamant en graphite limite la température à
environ 1500 K. Avec des montages particuliers
(enceintes à atmosphères controlées ou des
joints chauffants) on peut atteindre des
températures plus élevées de l'ordre de 2000
K. La température est mesurée par un
thermocouple situé au contact des diamants.
Chauffage laser
Le diamant est transparent à une grande partie
du spectre électromagnétique. Il l'est en
particulier dans le domaine de la lumière
infrarouge (IR), ce qui permet de focaliser sur
des échantillons comprimés des faisceaux de
laser de puissance IR. La plupart des oxydes ou
métaux absorbent en revanche la lumière IR et
s'échauffent. Cette technique permet donc de
chauffer à plusieurs milliers de degré les
échantillons sans trop échauffer les diamants.
La température est déduite de l'analyse de la
lumière émise par l’échantillon chauffé.
Chauffer un échantillon dans une cellule diamant
L'échantillon sous pression est chauffé par des fours résistifs entourant les diamants (pour des températures inférieures à 1500 K)) ou par focalisation du faisceau d'un laser IR de puissance (YAG ou CO2) pour atteindre des températures de l'ordre de 4000 K.E
XP
ER
IEN
CE
S
EX
PE
RIE
NC
ES
Structure de l’olivine
Les atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 isolés (en bleu). Les atomes de Mg et de Fe en vert occupent le centre d ’ octaèdres MgO6 FeO6 (en vert) ayant en commun des arêtes.Maille élémentaire de α-Mg2SiO4 : orthorhombiquea=4.75 Å ; b=10.20 Å ; c=5.98 Å, α=90°, β=90°, γ=90°
Structure de la phase ββββLes atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 (en bleu). Les tétraèdres sont regroupés par deux en partageant un sommet pour former des groupements Si2O7. Les atomes de Mg et de Fe en jaune occupent le centre d’octaèdres MgO6 FeO6 (en vert)Maille élémentaire de β- Mg2SiO4 : orthorhombiquea=5.6921 Å ; b=11.460 Å ; c=8.253 Å, α=90°, β=90°, γ=90°
Structure de la phase γγγγLes atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 isolés (en bleu). Les atomes de Mg et de Fe en bleu occupent le centre d’octaèdres MgO6 ou FeO6 ( en vert).Maille élémentaire de γ- Mg2SiO4 : cubiquea=8.0709 Å, α=90°, β=90°, γ=90°
EX
PE
RIE
NC
ES
Structure du périclase (MgO) et de la magnésio-wüstite (Mg,Fe)O
La structure est celle de NaCl.
Maille élémentaire de MgO : cubique
Structure de la perovskite
Les atomes de Si sont au centre d’octaèdres SiO6 (en rouge), le Si est héxacoordonné contrairement aux autres phases où il est tetracoordonné. Les atomes de Mg et de Fe en vert occupent le centre d’octaèdres MgO6 et FeO6.Maille élémentaire de pv- MgSiO3 : orthorhombiquea=4.7754 Å ; b=4.9292 Å ; c=6.8969 Å, α=90°, β=90°, γ=90°
Proportion volumique de minéraux
Pro
fon
de
ur
(km
)
Olivine
Wadsleyite
Ringwoodite
Mg-perovskite
Mw Ca
pv
Garnet
(Majorite)
Pyroxene
200
400
600
800
20 40 60 80
Devenir d’une roche type
le long d’un géotherme
EX
PE
RIE
NC
ES
modèle prévoit la minéralogie de 200 à 2900 km
Existe-t- il des archives minérales au delà de 200km correspondantes
aux associations minérales expérimentales de THP,THT?
au delà de 200 km de profondeur pour confirmer ou infirmer les modèles
???
Le modèle prévoit la minéralogie de 200 à 2900 km
Diamant péridotitique
Diamant éclogitique
Deux familles de diamants
Olivine
Grenat
Pyroxène
Grenat
Deux roches éclogites et péridotites deux types de diamants
EC
HA
NT
ILLO
NS
Echantillons remontés par les kimberlites jusqu’à 700 km de profondeur ?
Des roches
Des diamants et leurs inclusions de la zone de transition
inclusion 1
inclusion 2
Diamond host Gt Si>3
CPX
Gt Si=3
Associations minéralesdans les inclusions
nombre Fe2+/(Fe2++ Mg)du périclase
(Mg,Fe)O+ (Mg,Fe)SiO3
2 0.15-0.30
(Mg,Fe)O+ (Mg,Fe)0.9Al 0.2Si0.9O3
1 0.18
(Mg,Fe)O+ CaSiO3
1 0.19
(Mg,Fe)O+ (Mg,Fe)3Al 2Si3O12
3 0.17-0.3
(Mg,Fe)O+ SiO2
1 0.3
(Mg,Fe)O+ (Mg,Fe)3Al 2Si3O12+ (Mg,Fe)0.9Al 0.2Si0.9O3
1 0.3
MgO-FeO-SiO2 system in the 24-28 GPa and 1500°C-2000°C range. Po sitive Eu anomalies in CaSiO3 indicate derivation from subducted plagioclase-bearing rocks.Fe-rich (Mg,Fe)O inclusions may indicate derivation from the D" layer.
Les inclusions dans les diamants
(Mg,Fe)SiO3 pyroxène et(Mg,Fe)O
Une association rare :
Interprétation : des assemblages minéralogiques du manteau inférieur
MIN
ER
ALO
GIE
OLIVINE (Mg,Fe) 2SiO4 PYROXENE Ca(Mg,Fe)Si 2O6
GARNET(Mg,Fe,Ca)3Al 2Si3O12
PERIDOTITE
β β β β -(Mg,Fe)2SiO4
γγγγ-(Mg,Fe)2SiO4
MAJORITE(Mg,Fe,Ca)3(Al,Si) 2Si3O12
PEROVSKITES(Mg,Fe)(Si,Al)O 3
CaSiO3
+/- Aluminous Phases and SiO 2
MAGNESIOWUSTITE(Mg,Fe)O
PEROVSKITECaSiO3
Lithospheric Mantle
ContinentalCrust
lithosphereU
pper Mantle
Lower M
antleT
ransition zone
D’’ Layer
CORE
410 km
660 km
2900 km
20 - 80 km
80 - 200 km
ROCK SAMPLESz
PERIDOTITEECLOGITE
DIAMONDS AND INCLUSIONS
Natural samplingExperiences
MAJORITE (Mg,Fe,Ca) 3(Al,Si) 2Si3O12
CLINOPYROXENE Ca(Mg,Fe)Si 2O6
COESITE SiO2
MAJORITE (Mg,Fe,Ca) 3(Al,Si) 2Si3O12
CLINOPYROXENE Ca(Mg,Fe)Si 2O6
STISHOVITE SiO2
+/-CaSiO3-PEROVSKITE
(Mg,Fe)SiO 3-PEROVSKITECaSiO3-PEROVSKITEAl-PHASESSTISHOVITE SiO2
?
Gillet et al.
POST-PEROVSKITE(Mg,Fe)(Si,Al)O 3
and SiO 2
MIN
ER
ALO
GIE
Echantillons naturels