Suite

2 : L'intérieur de la Terre - Géosciences

2 : L'intérieur de la Terre - Géosciences


Objectifs d'apprentissage

Objectifs du module

  • A l'issue de ce module, vous serez capable de :
  • Expliquer les variations dans la composition et les caractéristiques des différentes couches de la Terre
  • Comparez les caractéristiques, le comportement et les vitesses des deux types d'ondes corporelles sismiques et comment elles peuvent être utilisées pour interpréter l'intérieur de la Terre.
  • Décrivez les variations de température à l'intérieur et leur lien avec la convection du manteau.
  • Expliquez les origines du champ magnétique terrestre.
  • Décrivez la relation isostatique entre la croûte et le manteau, et les implications de cette relation pour les processus géologiques sur Terre.

Oxyde-hydroxyde de fer superionique dans le manteau profond de la Terre

La glace d'eau devient une phase superionique dans les conditions de pression et de température élevées des intérieurs planétaires profonds des planètes de glace telles que Neptune et Uranus, ce qui affecte les structures intérieures et génère des champs magnétiques. La Terre solide, cependant, ne contient que des minéraux hydratés avec une quantité négligeable de glace. Ici, nous combinons des expériences de conductivité électrique à haute pression et température, la spectroscopie Raman et des simulations de premiers principes pour étudier l'état de l'hydrogène dans le FeO de type pyrite.2HX (X ≤ 1), qui est une phase potentiellement porteuse d'H près de la limite noyau-manteau. Nous constatons que lorsque la pression augmente au-delà de 73 GPa à température ambiante, les liaisons hydroxyles symétriques sont ramollies et le H + (ou proton) devient diffusif au voisinage de son site cristallographique. En augmentant la température sous pression, la diffusivité de l'hydrogène s'étend au-delà de la cellule unitaire individuelle pour couvrir l'ensemble du solide, et la conductivité électrique monte en flèche, indiquant une transition vers l'état superionique, caractérisé par des protons en mouvement libre et un solide FeO2 treillis. L'hydrogène hautement diffusif fournit de nouveaux mécanismes de transport pour la charge et la masse, qui dictent les comportements géophysiques de la conductivité électrique et du magnétisme, ainsi que les processus géochimiques d'oxydoréduction, de circulation d'hydrogène et de mélange isotopique de l'hydrogène dans le manteau profond de la Terre.


Intérieur de la terre

L'intérieur de la Terre et sa surface sont en constante interaction. Souvent lentement, sur de très grandes échelles de temps, mais souvent visibles lors d'événements catastrophiques comme les tremblements de terre et le volcanisme. Et la société humaine modifie la surface de la Terre à un rythme encore plus rapide que les processus naturels. Nous utilisons le sous-sol pour les infrastructures publiques et épuisons rapidement les ressources minérales et énergétiques connues qui ont été stockées pendant des millions d'années à l'intérieur de la Terre.

Relier l'intérieur à la surface

Un thème central est la quantification de l'interaction entre les processus profonds (manteau) et peu profonds (croûte/surface). Grâce à cela, nous visons à comprendre la structure actuelle et l'état dynamique de notre planète. Notre solide expérience mathématique et physique conduit à de nouvelles techniques d'imagerie et de modélisation utilisables pour la géo-exploration et l'atténuation des catastrophes naturelles.

Comprendre les processus de la Terre intérieure

En essayant de comprendre les processus de la Terre intérieure, nous nous posons des questions telles que : comment la planète Terre a-t-elle évolué depuis sa formation initiale jusqu'à sa complexité actuelle ? Pourquoi la Terre est-elle si différente des autres planètes ? Comment les ceintures de montagnes et les bassins sédimentaires se forment et se façonnent-ils ? Comment pouvons-nous imaginer ce qui se trouve sous nos pieds, mais trop profond pour être atteint (ou trop coûteux juste pour essayer) ? Comment et où pouvons-nous le mieux rechercher nos ressources précieuses et rares ?


Terre


Possibilités d'accès

Obtenez un accès complet au journal pendant 1 an

Tous les prix sont des prix NET.
La TVA sera ajoutée plus tard dans la caisse.
Le calcul des taxes sera finalisé lors du paiement.

Obtenez un accès limité ou complet aux articles sur ReadCube.

Tous les prix sont des prix NET.


Circulation de l'eau dans l'intérieur profond de la Terre

L'eau est transportée dans l'intérieur profond de la Terre par des silicates de magnésium hydratés denses (DHMS). Crédit : Université d'Ehime

La phase H est un minéral hydraté qui est considéré comme un important transporteur d'eau dans les profondeurs de la Terre. Nous avons déterminé la condition de dissociation de la phase H par un calcul théorique basé sur la mécanique quantique. La phase H se décompose à environ 60 GPa à 1000 K. Ceci indique que le transport de l'eau par la phase H peut se terminer à une profondeur d'environ 1500 km au milieu du manteau inférieur.

L'existence d'eau dans les profondeurs de la Terre est considérée comme jouant un rôle important en géodynamique, car l'eau modifie radicalement les propriétés physiques de la roche du manteau, telles que la température de fusion, la conductivité électrique et les propriétés rhéologiques. L'eau est transportée dans les profondeurs de la Terre par les minéraux hydratés des plaques froides subductrices. Les minéraux hydratés, tels que la serpentine, le mica et les minéraux argileux, contiennent du H2O sous forme d'hydroxyle (-OH) dans la structure cristalline. La plupart des minéraux hydratés se décomposent en minéraux anhydres et en eau (H2O) lorsqu'ils sont transportés dans les profondeurs de la Terre, à 40-100 km de profondeur, en raison des conditions de température et de pression élevées.

Cependant, il a également été rapporté que certains minéraux hydratés, appelés silicates de magnésium hydratés denses (DHMS), peuvent survivre dans la partie la plus profonde de l'intérieur de la Terre si la plaque de subduction est nettement plus froide que le manteau environnant. Le DHMS est une série de minéraux hydratés qui ont une grande stabilité sous la pression de l'intérieur profond de la Terre. Le DHMS est également appelé « phases de l'alphabet » : phase A, phase B, phase D, etc.

Jusqu'à récemment la phase D (composition chimique : MgSi2O6H2) était connue pour être la phase de pression la plus élevée des DHMS. Cependant, Tsuchiya 2013 a effectué le premier calcul des principes (une méthode de calcul théorique basée sur la mécanique quantique) pour étudier la stabilité de la phase D sous pression et a constaté que cette phase se transforme en une nouvelle phase avec une composition chimique de MgSiO4H2 (plus la stishovite, une forme à haute pression de SiO2, si le système garde la même composition chimique) au-dessus de 40 GPa (GPa=109 Pa). Cette phase prédite a été confirmée expérimentalement par Nishi et al. 2014 et nommé "phase H" (Figure 1). Le calcul théorique de Tsuchiya 2013 suggère également que la phase H se décompose finalement en le minéral anhydre MgSiO3 en relâchant H2O par une compression supplémentaire.

La ligne rouge épaisse indique la limite de phase de dissociation calculée de la phase H. Ehime Univeristy

Bien que le calcul théorique ait estimé la pression de décomposition de la phase H vers le milieu du manteau inférieur (de 660 km à 2900 km de profondeur), une détermination détaillée n'a pas encore été réalisée, car l'estimation de l'énergie libre de Gibbs de H2O était nécessaire pour déterminer la pression de décomposition de la phase H. L'énergie libre de Gibbs est un potentiel thermodynamique qui peut déterminer la stabilité d'un système. Dans des conditions de manteau inférieur, le H2La phase O a une structure cristalline avec des positions d'hydrogène désordonnées, c'est-à-dire que les positions d'hydrogène sont statistiquement réparties entre plusieurs positions différentes. Afin de calculer l'état désordonné de l'hydrogène, Tsuchiya et Umemoto 2019 ont calculé plusieurs positions d'hydrogène différentes et estimé l'énergie libre de Gibbs de H2O en utilisant une technique basée sur la mécanique statistique.

En conséquence, ils ont estimé la pression de décomposition de la phase H à environ 62 GPa à 1000 K, correspondant à la

1500 km de profondeur (Figure 2). Ce résultat indique que le transport de l'eau par plaque de subduction se termine au milieu du manteau inférieur dans le système Mg-Si-O. Tsuchiya et Umemoto 2019 ont également suggéré que la glace superionique peut être stabilisée par la décomposition de la phase H dans la plaque subductée. Dans la glace superionique, les atomes d'oxygène cristallisent aux points du réseau tandis que les atomes d'hydrogène sont librement mobiles. Les réactions chimiques entre la glace superionique et les minéraux environnants n'ont pas encore été identifiées, mais une diffusivité élevée de l'hydrogène dans la glace superionique peut produire des réactions plus rapides que dans la glace solide, mais différente de l'eau, la phase liquide de H2O.

M. Nishi et al. Stabilité du silicate hydraté à haute pression et transport de l'eau vers le manteau inférieur profond, Géosciences de la nature (2014). DOI : 10.1038/ngeo2074

Jun Tsuchiya et al. Détermination des premiers principes de la limite de phase de dissociation de la phase H MgSiO4H2, Lettres de recherche géophysique (2019). DOI : 10.1029/2019GL083472


Remerciements

Nous remercions E. Ohtani et W. F. McDonough pour leurs conseils et leurs orientations. L'expérience KamLAND est soutenue par une subvention pour la recherche spécialement promue dans le cadre d'une subvention 16002002 du ministère japonais de l'Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie, l'Initiative mondiale du Centre de recherche international (Initiative WPI), MEXT, Japon et le Le département américain de l'Énergie (DOE) accorde les subventions DEFG03-00ER41138 et DE-AC02-05CH11231, ainsi que d'autres subventions du DOE à des institutions individuelles. Les données sur les réacteurs sont fournies avec l'aimable autorisation des associations électriques suivantes au Japon : Hokkaido, Tohoku, Tokyo, Hokuriku, Chubu, Kansai, Chugoku, Shikoku et Kyushu Electric Power Companies, Japan Atomic Power Company et Japan Atomic Energy Agency. La Kamioka Mining and Smelting Company a fourni des services pour les activités de la mine.


Sciences de la Terre et de l'Environnement

Le Département des sciences de la Terre et de l'environnement de l'UIC offre des opportunités d'enseignement et de recherche sur les processus dynamiques qui modifient notre environnement, y compris ceux influencés par l'activité humaine, et qui façonnent la Terre et d'autres corps planétaires. Nos étudiants reçoivent une vaste formation en sciences de la terre interdisciplinaires et, avec le corps professoral, mènent des recherches qui impliquent des travaux sur le terrain dans le monde entier, des enquêtes en laboratoire sur le campus et dans des installations nationales, ainsi que la modélisation informatique et les simulations de mégadonnées.

Nous proposons trois programmes d'études : Bachelor of Science (BS), Master of Science (MS) et Doctor of Philosophy (PhD). Une mineure en sciences de la Terre et de l'environnement est également disponible pour les étudiants de premier cycle. En tant que département, nous accordons la priorité au soutien d'identités diverses, à la création d'environnements inclusifs et à l'équité des opportunités d'éducation et de recherche. Nous vous invitons à explorer nos programmes et à considérer les opportunités qu'ils offrent pour de futures carrières.


Informations sur l'auteur

Affiliations

École des sciences de la Terre et de l'atmosphère, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, États-Unis

Kazumi Ozaki et Christopher T. Reinhard

Institut d'astrobiologie de la NASA, équipe Terres alternatives, Mountain View, Californie, États-Unis

Kazumi Ozaki et Christopher T. Reinhard

Programme postdoctoral de la NASA, Universities Space Research Association, Columbia, MD, États-Unis

Département des sciences de la Terre et des planètes, École supérieure des sciences, Université de Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo, Japon

Département d'innovation des systèmes, École d'ingénierie, Université de Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo, Japon

Département d'ingénierie d'analyse, Hitachi Power Solutions Co., Ltd., Hitachi-Shi, Ibaraki, Japon

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Contributions

K.O. et E.T. développé l'hypothèse. K.O., E.T. et C.T.R. conçu l'étude. K.O. construit le cadre quantitatif et réalisé des expériences avec le modèle sGRB. P.K.H. et Y.N. ont réalisé les expérimentations avec le modèle couplé. K.O., P.K.H., Y.N. et C.T.R. analysé les résultats. K.O., E.T. et C.T.R. a écrit l'article avec la contribution de P.K.H. Tous les auteurs ont discuté et contribué intellectuellement à l'interprétation des résultats.

Auteur correspondant


Voir la vidéo: GÉOSCIENCES - Dans lombre du noyau