Au plus profond des planètes rocheuses comme la Terre, le comportement du fer peut grandement affecter les propriétés des matériaux rocheux en fusion : propriétés qui ont influencé la formation et l’évolution de la Terre. Les scientifiques ont utilisé des lasers puissants et des rayons X ultrarapides pour recréer les conditions extrêmes de ces roches en fusion, appelées fontes de silicates, et mesurer les propriétés du fer. Crédit : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
De nouvelles recherches explorant les propriétés quantiques des éléments dans des environnements extrêmes ont des implications significatives pour notre compréhension de l’histoire de la Terre, l’interprétation d’activités sismiques uniques et la recherche sur les exoplanètes pour mieux comprendre leur potentiel à abriter la vie.
Au plus profond des planètes rocheuses comme la Terre, le comportement du fer influence considérablement les propriétés des matériaux rocheux en fusion.
Ces propriétés ont joué un rôle crucial dans la formation et l’évolution de la Terre. L’évolution de notre planète pourrait être largement déterminée par l’état quantique microscopique des atomes de fer. L’« état de spin » du fer, une propriété quantique de ses électrons, affecte son comportement magnétique et sa réactivité chimique. Les variations de l’état de spin peuvent avoir une incidence sur la présence du fer sous forme fondue ou solide et sur sa conductivité électrique.
Défis liés à l’étude du fer dans les fontes de silicates
Jusqu’à présent, il était difficile de recréer les conditions extrêmes dans ces roches en fusion, appelées fontes de silicates, afin de mesurer l’état de spin du fer. Grâce à des lasers puissants et à des rayons X ultrarapides, une équipe internationale de chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie, de l’Université de Stanford, de l’Université Grenoble Alpes, du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI) et de l’Arizona State University a surmonté ce défi. . Ils ont montré qu’à des pressions et des températures extrêmement élevées, le fer contenu dans les silicates fondait principalement dans un état de spin faible, ce qui signifie que ses électrons restaient plus proches du centre et s’appariaient dans leurs niveaux d’énergie, rendant le fer moins magnétique et plus stable.
Les résultats, publiés dans Avancées scientifiques, soutiennent l’idée selon laquelle certains types de roches en fusion pourraient être stables au plus profond de la Terre et d’autres planètes rocheuses, contribuant ainsi potentiellement à la création de champs magnétiques. La recherche a des implications potentielles pour la compréhension de l’évolution de la Terre, l’interprétation des signaux sismiques et même l’étude des exoplanètes.
« En termes d’exploration de l’histoire de la Terre, nous étudions des processus qui ont eu lieu il y a plus de 4 milliards d’années », a déclaré Dan Shim, chercheur à l’Arizona State. « La seule façon d’étudier cela est d’utiliser une technologie moderne fonctionnant en femtosecondes. Le contraste entre ces immenses échelles de temps est à la fois éloquent et saisissant : il s’apparente à l’idée d’une machine à voyager dans le temps.»
Bombardement d’astéroïdes et océans magmatiques
Il y a environ 4,3 à 4,5 milliards d’années, la Terre primitive a subi d’intenses impacts, se faisant frapper par des astéroïdes aussi gros que des villes. Ces impacts ont produit tellement de chaleur qu’ils auraient pu faire fondre complètement les couches externes de la planète, créant ainsi un océan profond de roches en fusion.
« Il a été théorisé que sous l’immense pression de ces impacts, la roche en fusion pourrait être devenue plus dense que la roche solide », a déclaré Arianna Gleason, collaboratrice et scientifique du SLAC. « Ce magma plus dense aurait coulé vers le noyau, capturant les signatures chimiques de cette époque. Certains pensent que des restes de cette couche magmatique pourraient encore exister aujourd’hui, détenant des indices datant d’il y a 4,5 milliards d’années. Des volcans comme ceux d’Hawaï pourraient libérer ces anciennes signatures chimiques, nous donnant un aperçu du passé lointain de la Terre.
À faible profondeur, la roche en fusion prend plus de place que le même matériau lorsqu’il est solide. Mais à mesure que l’on approfondit et que la pression augmente, cette différence diminue. L’inclusion du fer, notamment son état de spin, joue un rôle important dans la détermination de ces propriétés. Des recherches antérieures ont montré des résultats mitigés sur l’état de spin du fer dans des conditions similaires : certaines études ont révélé un changement rapide de l’état de spin du fer sous des pressions élevées, tandis que d’autres ont constaté un changement plus lent et plus progressif.
Cette nouvelle étude fournit le premier aperçu direct du comportement du fer dans de véritables roches en fusion dans des conditions extrêmes.
« Bien que nous puissions apprendre beaucoup de choses de l’étude des roches et des fossiles, certains aspects de l’histoire ancienne de la Terre sont perdus car il existe peu de documents datant de cette époque », a déclaré Shim. « C’est ce qui rend cette étude unique. La formation de la Terre a été un processus tumultueux, impliquant des impacts intenses et aboutissant à une couche rocheuse globalement en fusion. La pression dans cette couche était immense. Nous étudions cela en simulant les conditions grâce à des expériences en laboratoire.
Dans la hutte expérimentale Matter in Extreme Conditions (MEC) de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, l’équipe a pu recréer les pressions extrêmes qui auraient été trouvées dans l’océan magmatique de la Terre primitive en faisant exploser des échantillons avec de puissants lasers qui transforment le solide. matériau en un silicate fondu en quelques nanosecondes. Ensuite, les scientifiques ont utilisé des impulsions de rayons X femtosecondes du LCLS pour étudier la structure électronique d’éléments comme le fer dans ces conditions extrêmes, fournissant ainsi un aperçu de la façon dont les configurations électroniques changent dans différentes conditions et révélant que le magma fondu est effectivement devenu plus dense qu’un solide sous conditions spécifiques.
« En comprenant la dynamique interne de la Terre, nous pouvons affiner les modèles de mouvement tectonique et d’autres phénomènes géologiques », a déclaré Gleason. « De plus, comme les couches de la Terre sont interconnectées, ces découvertes ont des implications pour la science du climat. »
Comprendre notre planète
Dans cette recherche, l’équipe s’est concentrée sur les fontes à faible teneur en fer. Mais à mesure que la matière tombe vers le centre de la Terre, elle absorbe davantage de fer, la rendant ainsi plus dense. Pour assurer le suivi, l’équipe prévoit d’étudier des fontes à plus forte teneur en fer. Ils espèrent également expérimenter des fontes contenant de l’eau, améliorant ainsi notre compréhension du cycle de l’eau et du climat de la Terre.
La recherche pourrait également faire la lumière sur des vitesses sismiques particulières au plus profond du manteau terrestre. Ces anomalies intriguent les scientifiques depuis des décennies. Certaines théories suggèrent que ces zones pourraient être des restes de magma datant d’il y a 4,5 milliards d’années, tandis que d’autres pensent qu’elles résultent de plaques tectoniques qui se sont enfoncées à l’intérieur de la Terre, répandant des matériaux à bas point de fusion. En comparant différentes hypothèses grâce à l’imagerie sismique, l’équipe vise à déterminer l’origine de ces zones et à distinguer les matériaux anciens des matériaux plus récents.
« À mesure que la technologie progresse, nous sommes à l’avant-garde pour relever de grands défis allant de la minéralogie à la science du climat, en reliant divers domaines de recherche », a déclaré Roberto Alonso-Mori, scientifique et collaborateur du SLAC. « Le volume considérable d’informations que nous pouvons recueillir a transformé nos capacités. Cela change la donne. C’est exaltant de développer de nouvelles techniques et de les appliquer à des questions urgentes avec une équipe aussi diversifiée.
LCLS est une installation utilisateur du DOE Office of Science. Cette recherche a été financée en partie par le Bureau de la Science.
