Etudes minéralogiques en conditions extrêmesMinéralogie Physique
L'intérieur de la Terre est constitué d'une succession de couches de propriétés physiques différentes:
au centre, le noyau (17% du volume terrestre) = noyau interne solide et noyau externe liquidele manteau (81% du volume terrestre) =manteau inférieur solide et manteau supérieur plastique, mais dont la partie tout à fait supérieure est solide , la croûte (ou écorce) < 2% en volume solide.
Rappels
La brusque interruption de propagation des ondes S à la limite entre le manteau et le noyau indique que le noyau externe est liquide.
L'augmentation progressive de la vitesse des ondes P et S dans le manteau indique une augmentation de densité du matériel à Mesure qu'on s'enfonce dans ce manteau.
La chute subite de la vitesse des Ondes P au contact manteau-noyau est reliée au changement d'état de la matière (de solide à liquide), mais les vitesses relatives continuent d'augmenter, indiquant une augmentation des densités.
Connaissances apportées par la sismologie
Compréhension du comportement des matériaux constitutifs de l’intérieur des planètes
Résultats obtenus : permettent de contraindre les modèles de structure, de composition chimiques et minéralogique et la dynamique des planètes
Pour la Terre, le domaine des pressions et températures accessibles:-entre 0 et 500 Gpa (3,6 millions d’atm. = centre du noyau)-entre 0 et 5000K
Quelle sont les matériaux présents à l’intérieur de la TerreEt leurs modifications de structures et de propriétés sous l’influence de P et /ou T?
Les techniques expérimentales
I) La cellule à enclume de diamant
Le diamant gemme est un matériau transparent à divers rayonnements électromagnétiques (IR aux RX). L’échantillon est comprimé entre les tables de deux petits diamants
Résultats : On peut établir les équations d’état thermodynamique, la nature des transitions de phases, les propriétés acoustiques, les propriétés spectroscopiques et électriques sous pression et température de phases minérales ou amorphes
Le passage des rayonnements électromagnétiques (RX,visible, IR…) à travers les diamants permet de sonder le comportement du minéral à haute pression et Température (in situ).
Les échantillons amorphes peuventaussi être analysés après trempe.
L'échantillon sous pression est chauffé par des fours entourant les diamants (T < 1500K) ou par focalisation du faisceau d'un laser de puissance pour atteindre des tempatures >1500 K jusqu’à 5000K.
Passage des différents Rayonnements à travers la cellule
Cellule à enclume deDiamant - Montage
Photo des diamants à l’intérieur de l’assemblage de la cellule
Le minéral a étudié est placé entre les deux diamants dans un petit Trou de 200 m percé dans une feuille de métal (joint)
Zone de l ’échantillon entre les diamants
L’échantillon placé dans le trou, On ajoute des petits rubis pourMesurer la pression grâce àL’évolution de leur fluorescence
On remplit ensuite le trou où est placé l’échantillon avec unmilieu transmetteur de pression, gaz rares, liquide Organique ou solide mou on comprime l’ensemble entre lesdiamants.
Petits rubis < 20m
QuickTime™ et un décompresseurPhoto - JPEG sont requis pour visualiser
cette image.
Cellule montée sur un diffractomètrede rayons X
Diffraction et cellule à enclume en diamant
Les anneaux synchrotrons (tels que l'ESRF à Grenoble) permettent de générer des faisceaux de rayons X de quelques micromètres de diamètre, collimatés ou focalisés, qui sont particulièrement bien adaptés aux expériences de haute pression et haute température.
Le rayonnement incident est généralement transmis au travers du diamant ``arrière'' jusqu'à l'échantillon qui diffracte alors au travers du diamant situé entre lui et le détecteur.
Expériences pouvant être envisagées
Domaine de pression accessible: de quelques kbars à plusieurs centaines de GPa. Le record se situe aux environs de 500 GPa, soit 5 millions d'atmosphères, la pression au centre de la graine du noyau terrestre étant de 360 GPa.
Basses températures de l'ordre de dizaines de Kelvin accessibles en plongeant lacellule dans un cryostat.
Pour des températures moyennes (T ambiante à 1500 K), on utilise la méthode dite du ``chauffage externe'', fortement utilisée en géophysique pour la mesure des équations d'état des systèmes tels que la pérovskite (Mg,Fe)SiO3 ou magnésiwüstite (Mg,Fe)O, principales composants du manteau inférieur.La cellule est placée dans un four.
Pour des températures plus élevées, chauffage dit ``laser''. On focalise un laser de forte intensité (type YAG ou CO2) sur l'échantillon On peut alors monter jusqu'à plusieurs milliers de degrés.
La structure crystallographique et les diagrammes de phases des minéraux peut être étudiée par diffraction des rayons X et Spectroscopie Raman pour obtenirles équations d'état, reliant les proprités telles que par ex:volume, pression et temperature.
L'élasticité et les vitesses de déplacement d'ondes (sismiques par exemple) peuvent être analysées grâce à la spectroscopie Brillouin, et la diffraction des rayons X.
la structure de ces matériaux est étudiée par spectroscopie d'absorption X.
II) Les presses multi-enclumes
Volume d’échantillon plus important, pression plus hydrostatique (pas de gradient) mais des pression moins élevées
Schéma duMontageMulti-enclume
Problème desCalibrants de laPression pour ces Mesures
Composés sans Transition de phase
Photo d’une presse multi-enclumes
Cubes de carbure de tungstène
Apport de ces recherches à la connaissance des matériaux en relation avec les propriétés géophysiques
Détermination des phases à haute pression cohérente avec données géophysiques.
0
200
400
600
800
1000
1200
30 40 50 60 70 80 90 100
Tem
pera
ture
(°C
)
Pressure (Kbar)
68.566
62.34
+
triple point68.1 kbar 1000°C
840
860
880
900
920
940
960
980
1000
58 60 62 64 66 68 70 72 74
Tem
pera
ture
(°C
)
Pressure (Kbar)
transition
transition
0
200
400
600
800
1000
1200
30 40 50 60 70 80 90 100
Tem
pera
ture
(°C
)
Pressure (Kbar)
78.73
77.06
transition
0
200
400
600
800
1000
1200
32 40 48 56 64 72 80 88
Tem
pera
ture
(°C
)
Pressure (Kbar)
80.33
79.67
transition
Chemins P et T pour l’étudedu diagramme de phases de Co2SiO4
Presse multi-enclumes
Spinelle
OlivinePhase beta
Galoisy ,1993
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
50 55 60 65 70
Transition -
2Angle θ
Ambiante, 95Kb
70Kb, 1000°C
Galoisy,1993 Evolution du diagramme de RX en fonction de P,T
0
200
400
600
800
1000
1200
30 40 50 60 70 80 90 100
Tem
pera
ture
(°C
)
Pressure (Kbar)
78.73
77.06
transition
Diagramme de Mg2SiO4
En fonction de P et T
Différentes étudesPresse multi-enclumesDiffraction des RX
Perovskite phase boundaries, Chudinovskikh,boehler (2004)
Spectre Raman En fonction de P,T(CED)
Diagramme de phase
Installationà l’intérieurdu joint
Evolution de la structure de GeO2 en fonction de T (CED)
Farges et al., 1995
Passage de la structure quartz ([4]GeO2) à la structureRutile ([6]GeO2)
Etude par spectroscopie d’absorption des RX (CED)Des changements de coordinences du Ge dans le Composé GeO2 - SiO2
QuickTime™ et undécompresseur TIFF (LZW)
sont requis pour visionner cette image.
Majérus et al. 2004
Historique
Adams et Nicholson étudient en 1901 la déformation plastique de la calcite et de la dolomite à haute pression et basse température dans des enceintes réalisées en feuille d'acier au nickel.
Vogt en 1912 montre que la stabilité de certains minéraux ne peut être obtenue qu'à haute pression.
Bernal en 1936 suggère que la profondeur de la discontinuité correspondant à la transformation olivine - spinelle est d'environ 400 km.
Leipunsky en 1939 calcule le domaine de stabilité du graphite et du diamant à partir des données thermodynamiques
Birch prédit en 1952 des changements de phases majeurs à certaines profondeurs critiques dans le manteau supérieur.
Coes invente en 1953 une presse à confinement en milieu solide pour les études des minéraux à haute pression et température.
Bundy et al. réalisent en 1955 la synthèse à haute pression du diamant.
Weir et al. inventent en 1959 la presse à enclume de diamant.
Bell puis Khitarov et al. travaillant indépendamment effectuent en 1963 une détermination expérimentale du point triple des silicates d'alumine Al2SiO5.
Ringwood et Major réalisent en 1966 une démonstration expérimentale de la transformation olivine-spinelle corrélée avec la discontinuité sismique observée dans le noyau à la profondeur de 400km.
Akimoto et Fujisawa effectuent en 1966 la démonstration de la transformation olivine-spinelle pour les compositions riches en fer.
Liu établit en 1974 que la structure pérovskite est prédominante dans le manteau inférieur.
Mao et Bell ont atteint en 1976 au laboratoire une pression de 1 mégabar vérifiée grâce à l'échelle de pression statique calibrée du rubis.
Herndon émet en 1979 l'hypothèse que le noyau interne (graine) de la Terre est fait de siliciure de nickel.
Chopin fait en 1984 la première découverte de coesite dans une roche métamorphique.
Mao et al. réalisent en 1989 les premières expériences de laboratoire à des pressions telles que celle régnant dans le manteau.