Du fer dans l’ancien océan magmatique profond sondé par des lasers à rayons X femtoseconde ultra-rapides

Lorsque la Terre achevait sa formation, il y a environ 4,5 milliards d’années, elle était enveloppée d’un océan global de magma en fusion qui s’étendait à des centaines, voire des milliers de kilomètres sous sa surface à la suite de violents impacts. Cet environnement primitif ne ressemblait guère aux conditions d’habitabilité que nous connaissons aujourd’hui sur Terre. Néanmoins, ces quelques centaines de millions d’années ont joué un rôle crucial dans la formation des structures chimiques et physiques fondamentales de notre planète, telles que nous les connaissons aujourd’hui. La formation du noyau riche en métaux et du manteau riche en silicates de la Terre est l’un des développements clés de cette période.

Dans le manteau terrestre actuel, des études récentes d’imagerie sismique ont mis en évidence des structures énigmatiques de la taille d’une montagne ou d’un continent dans le manteau le plus bas. Bien que l’origine de ces structures soit débattue depuis plus d’une décennie, de nombreux modèles proposent que ces structures denses au fond du manteau soient les derniers vestiges de l’ancien océan magmatique mondial.

Une observation expérimentale essentielle à l’appui de ces modèles est que le fer a tendance à se concentrer davantage dans le magma que dans les cristaux à des pressions élevées correspondant au manteau inférieur. Ce phénomène rend le magma plus dense que la couche rocheuse cristallisée, le manteau, pendant les derniers stades de la solidification du manteau, ce qui provoque son enfoncement. Cependant, une question fondamentale persiste : Pourquoi le fer se dissout-il préférentiellement dans le magma plutôt que dans les cristaux ?

Nombreux sont ceux qui ont postulé que la structure électronique des atomes de fer pourrait détenir la clé de cette question. Cependant, sonder la structure électronique des atomes de fer dans des conditions aussi extrêmes présente des défis considérables.

À la recherche de réponses, une équipe internationale de scientifiques, dont des membres de l’équipe de l’ASU, a mené des expériences en soumettant le magma de silicate à des pressions supérieures à 1 million de bars et à des températures de 7 000 degrés Fahrenheit à l’aide de faisceaux laser de grande puissance. Les résultats de leurs travaux ont été récemment publiés dans Science Advances, avec pour auteur principal Dan Shim, professeur et géoscientifique à l’Ecole de la Terre et de l’exploration spatiale de l’ASU.

Dans cette expérience d’onde de choc, l’échantillon peut conserver un état fondu et fortement comprimé pendant quelques femtosecondes (une femtoseconde est un laps de temps extrêmement court, équivalent à un quadrillionième de seconde). Pour étudier la structure électronique des atomes de fer dans le magma de silicate, qui ne peut persister que pendant une période aussi brève, les chercheurs ont mesuré les spectres des atomes de fer de l’échantillon à l’aide d’impulsions laser de rayons X ultra rapides et intenses sur les lignes de faisceaux MEC (Matter in Extreme Conditions) de la Linac Coherent Light Source (LCLS), qui fait partie du SLAC National Accelerator Laboratory (laboratoire national d’accélérateur) de Stanford.

Les expériences ont révélé que les électrons des atomes de fer se réarrangent dans une configuration connue sous le nom d’état de spin faible, ce qui donne un état plus dense. Cet état plus dense est plus stable pour les atomes de fer soumis à des pressions extrêmes, ce qui fait du magma un environnement plus favorable pour les atomes de fer. Cette transformation à l’échelle atomique résultant d’expériences ultra-rapides explique pourquoi le magma peut devenir plus dense que les cristaux lorsque l’océan magmatique se solidifie, élucidant ainsi la manière dont les structures observées dans les études sismiques se sont formées et persistent dans la partie la plus profonde du manteau.

"Dans nos expériences, nous avons étudié un événement qui s’est produit il y a 4,5 milliards d’années, c’est-à-dire il y a très longtemps, il y a 10^17 secondes. Mais pour comprendre cet événement ancien, nous avons utilisé une technique de choc pilotée par laser, qui permet d’obtenir une pression très élevée pendant seulement une infime fraction de seconde", a déclaré M. Shim. "La différence entre les deux échelles de temps est stupéfiante (32 ordres de grandeur) !"

Fait remarquable, ces expériences ont également permis d’atteindre les conditions de pression que l’on s’attend à trouver dans les exoplanètes super-terrestres, qui sont des planètes rocheuses situées au-delà de notre système solaire et dont le rayon est de 1 à 1,8 fois plus grand que celui de la Terre. Les résultats suggèrent que la densification du magma pourrait être beaucoup plus importante dans les océans magmatiques des super-Terres. D’autres études ont indiqué que les magmas silicatés denses et riches en fer peuvent générer des dynamos à des pressions élevées. Par conséquent, cette étude pourrait aider à comprendre si les magmas de silicates des super-Terres peuvent contribuer à la génération de champs magnétiques, protégeant potentiellement les atmosphères minces de ces planètes des radiations intenses émises par leurs étoiles hôtes.

Les autres auteurs de cette étude sont Wendy Mao, Ariana Gleason et Roberto Alonso-Mori de l’université de Stanford, Guillaume Morard de l’université de Grenoble Alpes et Alessandra Ravasio du Laboratoire d’utilisation des lasers intenses (LULI).

Ce travail a été soutenu par le programme CSEDI de la NSF et le programme Exoplanet de la NASA.

Article initialement publié par l’Arizona State University