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Travail en cours : La mine Ojuela à Mapimi, Mexique - réécriture de la page Planète bleue - Dalol
La Machine Mantellique...
Minéralogie, eau profonde, convection et exploration de l'intérieur de la Terre
Cette page comporte un lexique des expressions ou mots utilisés
Résumé
Le manteau terrestre constitue l'enveloppe rocheuse comprise entre la croûte et le noyau. Bien qu'il soit essentiellement solide, il peut se déformer à très longue échelle de temps et participe ainsi à la convection interne de la planète et à la tectonique des plaques. Sa minéralogie évolue considérablement avec la profondeur, car l'augmentation de la pression et de la température modifie la stabilité et la structure cristalline des minéraux.
Les profondeurs voisines de 410 et 660 km jouent un rôle majeur. Elles délimitent la zone de transition du manteau, dans laquelle l'olivine est progressivement remplacée par des polymorphes de haute pression, principalement la wadsleyite puis la ringwoodite. Certains de ces minéraux peuvent incorporer de l'hydrogène dans leur réseau cristallin. La découverte d'une ringwoodite hydratée incluse dans un diamant profond a constitué une preuve directe qu'au moins certaines régions de la zone de transition contiennent de l'eau sous forme structurale (Pearson et al., 2014).
Plus profondément, le manteau inférieur est dominé notamment par la bridgmanite et la ferropériclase. Dans les régions proches de la limite noyau-manteau, les conditions extrêmes permettent l'apparition d'une phase de très haute pression, dite post-pérovskite. Les expériences menées en cellule à enclumes de diamant, associées au chauffage laser et à la diffraction des rayons X, ont permis d'étudier cette transformation dans des conditions proches de celles du manteau le plus profond (Murakami et al., 2004, 2005). [okayama.el...erpure.com], [agupubs.on....wiley.com]
L'étude des minéraux du manteau, des diamants profonds et des ondes sismiques permet ainsi de reconstruire progressivement l'architecture interne et la dynamique de notre planète.
Mots-clés : manteau terrestre, olivine, wadsleyite, ringwoodite, bridgmanite, ferropériclase, post-pérovskite, eau profonde, sismologie, convection mantellique.
Sommaire
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Introduction : explorer une Terre inaccessible
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Architecture minéralogique du manteau
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Le réservoir d'eau profond
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Minéralogie et convection mantellique
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Les diamants super-profonds
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Les ondes sismiques et les discontinuités du manteau
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La couche D″ et la limite noyau-manteau
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Recréer les profondeurs terrestres en laboratoire
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Conclusion générale
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Annexe minéralogique
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Fiche : Olivine
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Fiche : Wadsleyite
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Fiche : Ringwoodite
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Fiche : Bridgmanite
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Fiche : Ferropériclase
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Fiche : Post-pérovskite
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Notes
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Bibliographie générale, norme APA 7
1. Introduction : explorer une Terre inaccessible
Sous la croûte terrestre s'étend le manteau, une enveloppe rocheuse atteignant la limite avec le noyau vers 2 900 km de profondeur.
Contrairement à une représentation fréquente dans la vulgarisation, le manteau n'est pas un immense océan de magma. Il est constitué essentiellement de roches solides. À l'échelle de millions d'années, ces roches peuvent néanmoins se déformer et participer à une convection extrêmement lente.
La pression et la température augmentent considérablement avec la profondeur. Ces changements influencent non seulement les propriétés mécaniques des roches, mais également l'organisation des atomes à l'intérieur des cristaux. Un même composé chimique peut ainsi adopter plusieurs structures cristallines selon les conditions de pression et de température.
Ce phénomène est appelé polymorphisme.
L'étude expérimentale de ces transformations appartient notamment à la physique des minéraux. Associée à la sismologie, à la géochimie et aux expériences sous haute pression, cette discipline fournit les moyens d'explorer des régions auxquelles aucun forage ne permet d'accéder.
Les progrès des cellules à enclumes de diamant, des dispositifs multi-enclumes, du rayonnement synchrotron et des calculs ab initio ont considérablement amélioré la connaissance expérimentale du manteau profond (Irifune & Tsuchiya, 2015). [nhm.uio.no], [colab.ws]
2. Architecture minéralogique du manteau
2.1. Le manteau supérieur
Le manteau supérieur est principalement constitué de roches ultrabasiques appartenant à la famille des péridotites.
Parmi leurs principaux constituants figurent l'olivine, les pyroxènes et les grenats. L'olivine constitue une phase particulièrement importante pour comprendre les transformations qui se produisent avec l'augmentation de la profondeur.
Une distinction fondamentale doit être établie entre état physique et comportement mécanique.
Une roche peut être solide tout en se déformant lentement lorsqu'elle est soumise pendant une très longue période à des températures et à des contraintes élevées. Cette capacité de déformation est essentielle à la compréhension de la dynamique mantellique.
2.2. La zone de transition
Entre environ 410 et 660 km se trouve la zone de transition du manteau.
Elle correspond à un domaine où surviennent plusieurs transformations minéralogiques majeures. L'olivine devient instable et cède progressivement la place à des structures cristallines de plus haute pression.
La succession simplifiée est la suivante :
Olivine → Wadsleyite → Ringwoodite
Vers 410 km, la transformation vers la wadsleyite contribue à expliquer une importante discontinuité sismique.
Plus profondément, la wadsleyite se transforme en ringwoodite. Une transition supplémentaire peut être détectée aux environs de 520 km, mais elle est moins nettement observée à l'échelle globale que les discontinuités situées autour de 410 et 660 km.
À proximité de 660 km, la ringwoodite devient instable au profit d'un assemblage dont les composants principaux comprennent la bridgmanite et la ferropériclase.
Il ne s'agit donc pas d'un simple « écrasement » des cristaux. Leur organisation atomique se transforme en réponse aux nouvelles conditions physiques.
2.3. Le manteau inférieur
Sous la discontinuité des environs de 660 km commence le manteau inférieur, qui se poursuit jusqu'au voisinage de la limite noyau-manteau.
Le développement des techniques de hautes pressions a permis d'étudier ses principaux constituants dans des conditions représentatives d'une grande partie de ce domaine (Irifune & Tsuchiya, 2015). [nhm.uio.no], [colab.ws]
Parmi les phases majeures figurent :
-
la bridgmanite, silicate à structure de type pérovskite ;
-
la ferropériclase, de composition générale (Mg,Fe)O ;
-
une phase de CaSiO₃ à structure pérovskite.
La distribution du fer entre bridgmanite et ferropériclase peut elle-même évoluer avec la pression. Les modèles de Xu, Lin et Morgan (2017) montrent notamment l'importance de la transition de spin du fer dans la ferropériclase et de son influence sur la répartition du fer entre les phases du manteau inférieur. [jsg.utexas.edu]
Le manteau inférieur ne doit donc pas être considéré comme un matériau minéralogiquement uniforme.
3. Le réservoir d'eau profond
Parler d'« eau » à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur peut induire une représentation erronée.
Il ne s'agit pas de vastes réservoirs d'eau liquide semblables aux océans de surface.
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Dans des minéraux dits nominalement anhydres, de petites quantités d'hydrogène peuvent s'incorporer dans la structure cristalline, notamment sous forme associée à des groupements hydroxyles.
La capacité d'incorporation varie considérablement selon les structures minérales.
L'olivine du manteau supérieur possède une capacité relativement limitée. En revanche, les polymorphes de haute pression de l'olivine, en particulier la wadsleyite et la ringwoodite, peuvent incorporer davantage d'hydrogène.
Cette propriété explique pourquoi la zone de transition est considérée comme un réservoir potentiel important dans le cycle profond de l'eau.
Une distinction scientifique est néanmoins indispensable :
La capacité maximale de stockage d'un minéral n'est pas la quantité d'eau réellement présente à l'échelle de toute la planète.
L'expression vulgarisée selon laquelle il existerait « plusieurs océans » dans le manteau correspond donc avant tout à une comparaison avec la capacité théorique ou potentielle de stockage de certaines phases minérales.
4. Minéralogie et convection mantellique
Le manteau est solide, mais il n'est pas immobile.
À l'échelle géologique, ses roches peuvent se déformer lentement. Les différences de température et de densité, associées à la dynamique des plaques lithosphériques, participent à la convection mantellique.
La frontière des environs de 660 km joue ici un rôle particulièrement intéressant. Les transformations minéralogiques y modifient la densité et les propriétés mécaniques des matériaux.
Certaines plaques lithosphériques froides entraînées par la subduction peuvent être détectées sismologiquement jusque dans le manteau inférieur. La limite des 660 km ne constitue donc pas une cloison imperméable séparant deux systèmes indépendants.
La rhéologie du manteau inférieur dépend également des propriétés de ses différentes phases, notamment la bridgmanite et la ferropériclase.
5. Les diamants super-profonds : témoins du manteau
La connaissance du manteau profond présente une difficulté fondamentale : nous ne pouvons pas directement prélever les roches situées à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur.
Certains diamants constituent cependant des témoins naturels exceptionnels.
Lors de la formation d'un diamant, de minuscules fragments de minéraux peuvent se retrouver emprisonnés dans sa structure. On les appelle des inclusions.
Ces inclusions peuvent conserver des informations sur les conditions et la composition de leur environnement profond.
5.1 La ringwoodite de Juína
En 2014, Pearson et ses collaborateurs ont décrit dans Nature une inclusion de ringwoodite contenue dans un diamant provenant de Juína, au Brésil.
Les analyses par diffraction des rayons X ainsi que par spectroscopies Raman et infrarouge ont fourni une preuve de la présence d'eau structurale dans cette ringwoodite.
Les chercheurs concluent que cette observation constitue une preuve directe que la zone de transition est, au moins localement, hydratée à hauteur d'environ 1 % en masse (Pearson et al., 2014). [pubmed.ncb...lm.nih.gov]
Cette précision est fondamentale.
L'étude démontre la présence d'eau structurale dans une région du manteau, mais elle ne démontre pas que toute la zone de transition possède partout cette teneur.
6. Les ondes sismiques : ausculter l'intérieur de la Terre
Les séismes engendrent des ondes capables de traverser une grande partie de la planète.
Deux catégories d'ondes de volume sont particulièrement importantes :
-
les ondes P, ou ondes de compression ;
-
les ondes S, ou ondes de cisaillement.
Leur vitesse est notamment déterminée par la densité et les propriétés élastiques des matériaux qu'elles traversent.
Cette caractéristique permet d'utiliser les séismes comme une méthode d'exploration indirecte de l'intérieur terrestre.
6.1. La discontinuité des environs de 410 km
À proximité de 410 km, les propriétés sismiques du manteau changent.
Cette discontinuité est principalement associée à la transformation de l'olivine vers la wadsleyite.
La nouvelle structure possède des propriétés physiques différentes de la précédente, ce qui modifie la propagation des ondes.
6.2. La transition des environs de 520 km
La transformation de la wadsleyite en ringwoodite peut être associée à une discontinuité située aux environs de 520 km.
Elle est toutefois moins systématiquement observable que celles de 410 et 660 km.
6.3. La discontinuité des environs de 660 km
À proximité de 660 km, l'assemblage minéralogique de la zone de transition devient instable au profit des phases caractéristiques du manteau inférieur.
Dans une représentation simplifiée de la composante olivinique :
Ringwoodite → Bridgmanite + Ferropériclase
Cette transformation modifie les propriétés élastiques et la densité des matériaux.
6.4. La tomographie sismique
La tomographie sismique utilise les temps de propagation enregistrés suivant de nombreux trajets pour reconstruire des modèles tridimensionnels des propriétés de l'intérieur terrestre.
L'analogie avec la tomographie médicale est utile, à condition de ne pas la pousser trop loin : une tomographie sismique n'est pas une photographie directe de la Terre profonde.
Les anomalies observées doivent être interprétées. La température, la composition chimique, la minéralogie et l'organisation des cristaux peuvent contribuer aux variations des vitesses.
7. La couche D″ et la limite noyau-manteau
À une profondeur proche de 2 900 km, le manteau solide rencontre le noyau externe liquide.
Cette frontière constitue la limite noyau-manteau.
On peut la représenter schématiquement ainsi :
MANTEAU INFÉRIEUR
↓
Région D″
↓
LIMITE NOYAU-MANTEAU
↓
NOYAU EXTERNE LIQUIDE
La partie la plus profonde du manteau constitue une région complexe généralement appelée D″.
Elle présente d'importantes hétérogénéités thermiques, chimiques, minéralogiques et sismiques.
7.1. La post-pérovskite
L'une des découvertes majeures en physique des minéraux au début du XXIe siècle a été celle de la post-pérovskite.
Murakami et ses collaborateurs ont soumis MgSiO₃ à des pressions et températures comparables à celles de la base du manteau. Leurs expériences ont montré qu'une structure de type pérovskite pouvait se transformer en une nouvelle structure de haute pression au-dessus d'environ 125 GPa et 2 500 K dans les conditions expérimentales rapportées (Murakami et al., 2004). [science.org], [okayama.el...erpure.com]
Cette nouvelle phase possède une structure à feuillets d'octaèdres SiO₆ et peut être décrite par le groupe spatial orthorhombique Cmcm. [spring8.jp]
Les expériences réalisées ensuite sur une composition pyrolitique ont également confirmé l'importance possible de cette transition dans le manteau basal (Murakami et al., 2005). [agupubs.on....wiley.com]
7.2. Les LLSVP
La tomographie sismique met en évidence deux structures gigantesques de faible vitesse des ondes S dans le manteau inférieur profond : les LLSVP, ou Large Low-Shear-Velocity Provinces.
Elles occupent des volumes considérables à la base du manteau sous les grandes régions africaine et pacifique.
Leur interprétation demeure complexe. La synthèse de Garnero, McNamara et Shim souligne leur caractère thermochimique et leur relation possible avec les zones d'origine de certains panaches mantelliques. [nature.com], [scilit.com]
Il faut donc éviter de définir simplement les LLSVP comme des « super-panaches ». Elles constituent avant tout des structures sismiquement anormales du manteau profond dont la nature exacte nécessite de combiner données sismologiques, minéralogiques et géodynamiques.
7.3. Les ULVZ
À une échelle beaucoup plus réduite, les ULVZ, ou Ultra-Low Velocity Zones, correspondent à des régions proches de la limite noyau-manteau caractérisées par de très faibles vitesses sismiques.
Leur origine n'est probablement pas décrite par une explication universelle unique.
Des hypothèses thermiques, la fusion partielle et des hétérogénéités chimiques riches en fer font notamment partie des mécanismes étudiés.
Une étude récente de Li, Tian et Chu (2026), consacrée à des ULVZ sous l'Asie orientale et méridionale, conclut que les structures étudiées sont compatibles avec des hétérogénéités chimiques riches en fer, potentiellement en rapport avec des processus anciens de subduction. [academic.oup.com].
8. Recréer les profondeurs terrestres en laboratoire
L'accès matériel au manteau profond étant impossible, les chercheurs ont développé différentes techniques permettant d'en reproduire partiellement les conditions physiques.
8.1. La cellule à enclumes de diamant
La cellule à enclumes de diamant, ou DAC (Diamond Anvil Cell), est l'un des instruments fondamentaux de la physique des hautes pressions.
Son principe repose sur la relation :
P = F / S
où :
-
P représente la pression ;
-
F la force appliquée ;
-
S la surface d'application de cette force.
La concentration d'une force sur une surface microscopique permet ainsi de produire des pressions extrêmement élevées.
Un échantillon microscopique est placé entre deux pointes de diamant.
8.2. Le chauffage laser
La pression ne constitue cependant qu'une partie du problème.
Afin de reproduire les températures du manteau profond, l'échantillon comprimé peut être chauffé par laser.
Le développement de la cellule à enclumes de diamant chauffée par laser a contribué aux progrès de l'étude des transitions minéralogiques dans le manteau inférieur (Irifune & Tsuchiya, 2015). [nhm.uio.no]
8.3. La diffraction des rayons X
Les transformations cristallines de l'échantillon sont notamment étudiées par diffraction des rayons X.
Les sources synchrotron fournissent des faisceaux utilisables pour étudier la structure des phases minérales sous pression et température élevées.
C'est par diffraction des rayons X in situ dans une cellule à enclumes de diamant chauffée par laser que Murakami et ses collaborateurs ont observé expérimentalement la transformation de MgSiO₃ en post-pérovskite. [science.org], [spring8.jp]
Les principales approches deviennent ainsi complémentaires :
sismologie → propriétés globales et structure interne ;
diamants et inclusions → échantillons naturels exceptionnels ;
expériences à haute pression → reproduction contrôlée des conditions internes ;
modélisation numérique → test et extrapolation des propriétés physiques.
9. Conclusion générale
L'exploration du manteau terrestre constitue un remarquable exemple de recherche scientifique indirecte.
L'être humain ne peut observer directement l'essentiel du manteau. Sa structure doit donc être reconstruite par la confrontation de différentes sources d'information : sismologie, physique des minéraux, expériences à haute pression, géochimie, calcul numérique, météorites et inclusions dans les diamants.
Cette approche révèle un manteau profondément structuré par les transformations minérales.
La succession principale peut être résumée ainsi :
Olivine
↓
Wadsleyite
↓
Ringwoodite
↓
Bridgmanite + Ferropériclase
↓
Post-pérovskite, dans certaines conditions du manteau basal
Cette évolution minéralogique permet de comprendre pourquoi les profondeurs voisines de 410, 520 et 660 km possèdent des signatures sismiques particulières.
Elle révèle également une interaction étroite entre minéralogie et cycle profond de l'eau. La découverte de ringwoodite hydratée dans un diamant démontre l'existence, au moins localement, d'une zone de transition hydratée (Pearson et al., 2014). [pubmed.ncb...lm.nih.gov]
Enfin, les régions les plus profondes du manteau, notamment D″, les LLSVP et les ULVZ, demeurent des domaines de recherche active. Elles constituent un rappel essentiel : un modèle scientifique n'est pas une représentation figée de la réalité, mais une construction continuellement confrontée à de nouvelles observations.
10. ANNEXE MINÉRALOGIQUE
Géotherme du manteau et minéraux
Fiche 1. Olivine
Nom : olivine
Formule générale : (Mg,Fe)₂SiO₄
Nature : groupe de silicates, principalement entre les pôles forstérite et fayalite
Système : orthorhombique
Famille : nésosilicates
Domaine : manteau supérieur
Transformation majeure : olivine → wadsleyite
Structure
L'olivine est constituée de tétraèdres SiO₄ isolés associés principalement au magnésium et au fer. Avec l'augmentation de la pression, cette structure cesse d'être la plus stable et laisse place à celle de la wadsleyite.
Eau
L'olivine est nominalement anhydre mais peut incorporer de faibles quantités d'hydrogène dans ses défauts cristallins.
Importance géophysique
Sa transformation en wadsleyite contribue à expliquer la discontinuité des environs de 410 km.
À retenir
L'olivine constitue l'un des minéraux emblématiques du manteau supérieur et le point de départ d'une succession de transformations cristallines qui accompagne l'augmentation de la profondeur.
Fiche 2. Wadsleyite
Nom : wadsleyite
Formule idéale : Mg₂SiO₄
Formule générale courante : β-(Mg,Fe)₂SiO₄
Système : orthorhombique
Groupe spatial : Imma
Densité calculée du matériau naturel décrit : environ 3,84 g·cm⁻³
Domaine : partie supérieure de la zone de transition. [docslib.org], [mindat.org]
Découverte naturelle
Price, Putnis, Agrell et Smith ont décrit en 1983 la wadsleyite naturelle dans la météorite de Peace River. Ils décrivent notamment une structure orthorhombique compatible avec le groupe spatial Imma et une densité calculée de 3,84 g·cm⁻³. [mindat.org], [docslib.org]
Transformation
Olivine → Wadsleyite → Ringwoodite
Eau
La structure de la wadsleyite peut incorporer de l'hydrogène, ce qui explique son importance dans l'étude du cycle profond de l'eau.
À retenir
La wadsleyite est un polymorphe de haute pression associé à la partie supérieure de la zone de transition. Sa capacité à incorporer de l'hydrogène en fait une phase essentielle pour comprendre l'eau profonde.
Fiche 3. Ringwoodite
Nom : ringwoodite
Formule générale : (Mg,Fe²⁺)₂SiO₄
Système : cubique
Structure : type spinelle
Groupe spatial : Ia3d
Densité calculée du matériau décrit : environ 3,90 g·cm⁻³. [C:\MdpWEB\...ralogy.org]
Découverte
La ringwoodite naturelle a été décrite par Binns, Davis et Reed en 1969 dans la météorite de Tenham. Les auteurs ont identifié le minéral comme un polymorphe de haute pression de l'olivine à structure spinelle. [nature.com], [zh.mindat.org]
Domaine mantellique
Elle constitue une phase caractéristique de la partie profonde de la zone de transition.
Transformation
Wadsleyite → Ringwoodite → Bridgmanite + Ferropériclase
Eau
Une inclusion naturelle de ringwoodite hydratée a été identifiée dans un diamant de Juína, apportant une preuve directe d'une hydratation au moins locale de la zone de transition (Pearson et al., 2014). [pubmed.ncb...lm.nih.gov]
À retenir
La ringwoodite relie trois domaines fondamentaux de l'étude du manteau : les transformations de phases, les discontinuités sismiques et le cycle profond de l'eau.
Fiche 4. Bridgmanite
Nom : bridgmanite
Formule idéale : MgSiO₃
Symbole IMA-CNMNC : Bdm
Système : orthorhombique
Groupe spatial : Pnma
Type structural : pérovskite
Domaine : manteau inférieur. [mindat.org], [cambridge.org]
Terminologie
La bridgmanite ne doit pas être confondue avec la pérovskite minérale CaTiO₃.
Dans « MgSiO₃ à structure de type pérovskite », le terme pérovskite décrit une architecture cristalline.
L'ancien terme « MgSiO₃-perovskite » désigne la phase aujourd'hui appelée bridgmanite lorsqu'il est question de son espèce minérale naturelle. [europepmc.org]
Identification naturelle
Tschauner et ses collaborateurs ont décrit la bridgmanite naturelle dans la météorite de Tenham. La phase a été approuvée par l'International Mineralogical Association sous la référence IMA 2014-017. [europepmc.org]
Paramètres de maille de l'échantillon de référence
-
a ≈ 5,02 Å ;
-
b ≈ 6,90 Å ;
-
c ≈ 4,81 Å. [mindat.org]
-
À retenir
La bridgmanite est un silicate de formule idéale MgSiO₃ à structure de type pérovskite et constitue une phase fondamentale du manteau inférieur.
Fiche 5. Ferropériclase
Nom : ferropériclase
Formule générale : (Mg,Fe)O
Nature : solution solide riche en magnésium et fer
Domaine : manteau inférieur
Elle accompagne notamment la bridgmanite parmi les grandes phases minérales attendues dans le manteau inférieur.
Transformation
À la frontière entre zone de transition et manteau inférieur, la composante issue de la ringwoodite peut être représentée schématiquement par :
Ringwoodite → Bridgmanite + Ferropériclase
Fer et transition de spin
Le comportement électronique du fer change sous haute pression. La modélisation de Xu, Lin et Morgan met en évidence le rôle de la transition de spin dans la ferropériclase et ses conséquences sur la distribution du fer entre elle et la bridgmanite. [jsg.utexas.edu]
Propriétés profondes
Les expériences de Lobanov et al. montrent une forte opacité de la ferropériclase dans les conditions expérimentales étudiées du manteau inférieur profond et discutent ses propriétés de transport radiatif et électrique. [jsg.utexas.edu]
À retenir
La ferropériclase est une phase majeure du manteau inférieur. Le comportement électronique de son fer sous forte pression influence certaines propriétés physiques des profondeurs terrestres.
Fiche 6. Post-pérovskite
Désignation : post-pérovskite de MgSiO₃
Formule du système de référence : MgSiO₃
Système : orthorhombique
Groupe spatial : Cmcm
Domaine : certaines conditions du manteau basal. [spring8.jp]
Transformation
Sous certaines conditions extrêmes :
MgSiO₃ structure pérovskite → MgSiO₃ structure post-pérovskite
Découverte expérimentale
Murakami et al. (2004) ont observé une nouvelle phase de MgSiO₃ au-dessus de 125 GPa et 2 500 K dans leurs expériences, correspondant à des conditions proches de celles du manteau basal. [science.org], [okayama.el...erpure.com]
La structure post-pérovskite est orthorhombique, de groupe spatial Cmcm, et les expériences rapportent une augmentation de densité de l'ordre de 1,0 à 1,2 % relativement à la structure pérovskite dans les conditions de comparaison utilisées. [spring8.jp]
D″
Cette transformation constitue une explication possible de certaines caractéristiques sismiques observées dans la région D″.
À retenir
La post-pérovskite correspond à une nouvelle organisation cristalline de MgSiO₃ favorisée par les conditions extrêmes susceptibles d'être rencontrées à proximité de la limite noyau-manteau.
11. Lexique
Bridgmanite : silicate MgSiO₃ à structure de type pérovskite, phase fondamentale du manteau inférieur.
Cellule à enclumes de diamant : dispositif expérimental permettant de soumettre de très petits échantillons à des pressions extrêmement élevées.
Convection mantellique : déplacement extrêmement lent de matériaux solides déformables à l'intérieur du manteau.
D″ : région complexe du manteau basal, immédiatement au-dessus de la limite noyau-manteau.
Diffraction des rayons X : technique permettant de déterminer l'organisation cristalline d'un matériau.
Discontinuité sismique : région où les propriétés de propagation des ondes changent de manière significative.
Ferropériclase : phase de composition générale (Mg,Fe)O importante dans le manteau inférieur.
Géotherme : représentation de l'évolution de la température en fonction de la profondeur dans la Terre.
Inclusion : fragment minéral ou autre matériau emprisonné dans un cristal.
LLSVP : Large Low-Shear-Velocity Province, vaste région du manteau profond caractérisée par des vitesses d'ondes S relativement faibles.
Olivine : groupe de silicates riches en magnésium et en fer, majeur dans le manteau supérieur.
Onde P : onde sismique de compression.
Onde S : onde sismique de cisaillement, qui ne se propage pas dans les liquides.
Péridotite : roche ultrabasique typique du manteau supérieur.
Pérovskite : nom du minéral CaTiO₃, mais aussi terme désignant une famille importante de structures cristallines.
Polymorphisme : propriété par laquelle une même composition chimique peut adopter plusieurs structures cristallines.
Post-pérovskite : structure de très haute pression de MgSiO₃ pouvant apparaître sous certaines conditions du manteau basal.
Rhéologie : étude de la déformation et de l'écoulement des matériaux.
Ringwoodite : polymorphe de haute pression de Mg₂SiO₄ à structure spinelle.
Subduction : enfoncement d'une plaque lithosphérique sous une autre puis dans le manteau.
Synchrotron : accélérateur produisant notamment un rayonnement X très intense utilisable pour l'étude structurale de la matière.
Tomographie sismique : technique reconstruisant les variations tridimensionnelles des propriétés de l'intérieur terrestre à partir de la propagation des ondes sismiques.
ULVZ : Ultra-Low Velocity Zone, région localisée de très faibles vitesses sismiques au voisinage de la limite noyau-manteau.
Wadsleyite : polymorphe orthorhombique de haute pression de Mg₂SiO₄, caractéristique d'une partie de la zone de transition.
12. Notes
1. Profondeurs des transitions. Les valeurs de 410, 520 et 660 km constituent des repères géophysiques. La position exacte des transitions peut varier selon les conditions de pression, de température et de composition.
2. Eau du manteau. Dans ce contexte, le mot « eau » désigne généralement de l'hydrogène incorporé dans les structures minérales et exprimé en équivalent H₂O. Il ne faut pas nécessairement l'assimiler à de l'eau liquide.
3. Ringwoodite hydratée. Pearson et al. (2014) concluent que leur inclusion fournit une preuve d'une zone de transition localement hydratée à environ 1 % en masse. Cette observation ne permet pas d'attribuer cette teneur à l'ensemble de la zone de transition. [pubmed.ncb...lm.nih.gov]
4. Pérovskite et bridgmanite. L'appellation historique « MgSiO₃-perovskite » est remplacée par bridgmanite pour l'espèce minérale naturelle correspondante. La pérovskite proprement dite est CaTiO₃. L'article de Tschauner et al. confirme explicitement que MgSiO₃-perovskite est désormais appelée bridgmanite. [europepmc.org]
5. Post-pérovskite. Il s'agit d'une structure de haute pression. La pression exacte de la transition dépend des conditions expérimentales et de la composition. Murakami et al. rapportent environ 125 GPa et 2 500 K pour MgSiO₃ dans leur étude fondatrice de 2004, tandis que l'étude de 2005 sur une composition pyrolitique rapporte une transition autour de 113 GPa à 2 500 K. [science.org], [agupubs.on....wiley.com]
6. LLSVP et ULVZ. Ces termes décrivent d'abord des structures définies par leurs signatures géophysiques. Leur composition, leur température et leur origine ne peuvent pas être déduites d'une seule observation de vitesse sismique.
13. Bibliographie générale
Chevalier J. J. Archives (1996 - 2026) Sciences de la Terre. https://minérauxdumonde.com/structuredelaterre (2001-2014), https:// mineralogie.fr/structureinternedelaterre(2014-2019)
Binns, R. A., Davis, R. J., & Reed, S. J. B. (1969). Ringwoodite, natural (Mg,Fe)₂SiO₄ spinel in the Tenham meteorite. Nature, 221(5184), 943–944. https://doi.org/10.1038/221943a0 [nature.com], [zh.mindat.org]
Garnero, E. J., McNamara, A. K., & Shim, S.-H. (2016). Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth's mantle. Nature Geoscience, 9(7), 481–489. https://doi.org/10.1038/ngeo2733 [nature.com], [scilit.com]
Irifune, T., & Tsuchiya, T. (2015). Phase transitions and mineralogy of the lower mantle. In G. Schubert (Ed.), Treatise on Geophysics (2nd ed., Vol. 2, pp. 33–60). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-53802-4.00030-0 [nhm.uio.no], [jpgu.org], [colab.ws]
Li, J., Tian, D., & Chu, R. (2026). Ultralow velocity zones at the core–mantle boundary in the subduction regions consistent with the iron-rich origins revealed by ScP waveform complexities. Geophysical Journal International, 245(1), ggag052. https://doi.org/10.1093/gji/ggag052 [academic.oup.com], [academic.oup.com]
Lobanov, S. S., Soubiran, F., Holtgrewe, N., Badro, J., Lin, J.-F., & Goncharov, A. F. (2021). Contrasting opacity of bridgmanite and ferropericlase in the lowermost mantle: Implications to radiative and electrical conductivity. Earth and Planetary Science Letters, 562, 116871. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.116871 [jsg.utexas.edu], [gfzpublic.gfz.de]
Murakami, M., Hirose, K., Kawamura, K., Sata, N., & Ohishi, Y. (2004). Post-perovskite phase transition in MgSiO₃. Science, 304(5672), 855–858. https://doi.org/10.1126/science.1095932 [okayama.el...erpure.com], [europepmc.org]
Murakami, M., Hirose, K., Sata, N., & Ohishi, Y. (2005). Post-perovskite phase transition and mineral chemistry in the pyrolitic lowermost mantle. Geophysical Research Letters, 32, L03304. https://doi.org/10.1029/2004GL021956 [agupubs.on....wiley.com]
Pearson, D. G., Brenker, F. E., Nestola, F., McNeill, J., Nasdala, L., Hutchison, M. T., Matveev, S., Mather, K., Silversmit, G., Schmitz, S., Vekemans, B., & Vincze, L. (2014). Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature, 507(7491), 221–224. https://doi.org/10.1038/nature13080 [pubmed.ncb...lm.nih.gov]
Price, G. D., Putnis, A., Agrell, S. O., & Smith, D. G. W. (1983). Wadsleyite, natural β-(Mg,Fe)₂SiO₄ from the Peace River meteorite. The Canadian Mineralogist, 21, 29–35. [mindat.org], [docslib.org]
Tschauner, O., Ma, C., Beckett, J. R., Prescher, C., Prakapenka, V. B., & Rossman, G. R. (2014). Discovery of bridgmanite, the most abundant mineral in Earth, in a shocked meteorite. Science, 346(6213), 1100–1102. https://doi.org/10.1126/science.1259369 [europepmc.org], [research-c...on.ethz.ch]
Warr, L. N. (2021). IMA–CNMNC approved mineral symbols. Mineralogical Magazine, 85(3), 291–320. https://doi.org/10.1180/mgm.2021.43 [cambridge.org]
Xu, S., Lin, J.-F., & Morgan, D. (2017). Iron partitioning between ferropericlase and bridgmanite in the Earth's lower mantle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122(2), 1074–1087. https://doi.org/10.1002/2016JB013543 [jsg.utexas.edu], [scilit.com]