Investigations géophysiques et intérieur des planètes
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Investigations géophysiques et intérieur des planètes Introduction Les observations satellitaires (s.l.) permettent d'avoir une bonne idée De la géologie de surface des planètes. Pour la planète Terre, nous avons accès à beaucoup d'échantillons, Ce qui n'est pas le cas pour les autres planètes, et pourtant il est difficile de connaître la géologie et géodynamque de la Terre interne Comment a-t-on réussi à explorer les entrailles de la Terre? Peut-on appliquer ces différentes méthodes aux autres planètes ou satellites du Système Solaire? 1. Les observations directes Le moment d'inertie Definition Quantifie la résistance d'un corps soumis à une mise en rotation I= M·L² (le produit d'une masse et du carré d'une longueur, en kg·m² dans le S.I.). C'est l'analogue de la masse inertielle qui, elle, mesure la résistance d'un corps soumis à une accélération linéaire. Application Moment d’inertie de la Terre (I=0,33 M.R2) n’est pas celui d’une sphère homogène (I=0,4 M.R2) => Matériel plus dense au centre On connaît la densité moyenne de la Terre (M et V) de 5.5. Or la densité des roches qu’on observe à la surface < 3 ) Matériel plus dense au centre Comment sait-on ce qu'il y a en profondeur???? G. Les échantilllons Les roches à la surface Les échantillons Les roches profondes: les péridotites On retrouve des roches mantelliques dans les enclaves ou les ophiolites Les échantillons Les roches profondes: Les dimamants Quelques échantillons ultra-profonds remontés par les kimberlites La composition chimique de la Terre Comment la connaître? Par l'analyse des chondrites Hypothèse: composition moyenne du Système Solaire (aux volatiles près) = chimie des chondrites donc de la Terre primitive (cf. Cours Olivier Allard) La composition chimique de la Terre Comment la connaître? Par l'analyse des chondrites Hypothèse: composition moyenne du Système Solaire (aux volatiles près) = chimie des chondrites donc de la Terre primitive (cf. Cours Olivier Allard) Un exemple de modèles (il y en a plusieurs) de composition de la Terre et du manteau => Comment obtenir des informations sur la composition minéralogique interne de la Terre, sa structure et sa dynamique? 2. Sismologie et echographie du globe Rappels sur les ondes sismiques Definition: Mouvement brusque du sol, accompagné par une libération d’énergie élastique Origine: Naturelle ou artificielle Différents types d'ondes se propagent à partir de l'épicentre Rappel sur les ondes sismiques Definition Les hodochrones Bestiaire des ondes sismiques Hypothèses: Terre décomposée en coquilles sphèriques homogènes Données: temps d’arrivée des ondes P, S et de surfaces + périodes de vibrations propres de la Terre +Facteur d’atténuation Lois: Loi d’Addams-Williamson (équation d’état reliant densité des matériaux et vitesse des ondes P et S) => Modèle de propagation des ondes sismiques Le modèle PREM Dziewonski et Anderson, 1981 A quoi sont dues les discontinuités (changement de composition ou transition de phase? Quels matériaux expliques ces vitesses? Le modèle PREM Dziewonski et Anderson, 1981 Quel est l'effet de l'augmentation de pression sur les matériaux dans la Terre et les autres planètes? Le modèle PREM Comment atteindre de telles conditions de pression et de température expérimentalement???? ** Super Terre= 7,5 x masse de la Terre 3. Expériences sous haute pression Génération des conditions de haute pression La petite histoire.... Percy W. Bridgam est un pionnier en la matière, avec le système du piston-cylindre a permis d'atteindre des P 2GPa dès 1911 et 10 Gpa en 1940 (Prix Nobel en 1946), Comment ça marche, un piston cylindre? Entre le piston d'entraînement (P) et le bouchon en acier (A) en contact avec son échantillon, il y a trois anneaux - de l'acier dur (R), de l'acier doux (C) et le caoutchouc (B) et un espace vide au centre. Lors de la compression, le caoutchouc s'écrase longitudinalement tout en appuyant vers l'extérieur contre les côtés du cylindre, Génération des conditions de haute pression Les presses multi-enclumes: une fenêtre sur le manteau supérieur Le fait d’avoir plusieurs enclumes permet de diversifier leur fonctionnalité : application d’unchamp de contraintes contrôlé et étude de la vitesse de déformation. Jusqu’à récemment seuls les appareils de basse pression permettaient les études de déformation tels que la presse Paterson (limitée à 1 Gpa i.e. 30 km) et le Griggs (limité à 4 GPa i.e. 120 km). La presse multi-enclumes permettra d’atteindre des pressions beaucoup plus élevées.jusqu'à 30 GPa (i.e. 1000 km). Génération des conditions de haute pression Les presses multi-enclumes: une fenêtre sur le manteau supérieur Autres mesures possibles: - Ajouter un four pour voir l'effet de la Température (300 à 3000 K avec un chauffage homogène de l'échantillon) - Mesures in situ par diffraction aux Rx ou spectroscopie Raman Génération des conditions de haute pression La cellule à enclume de diamant: un accès au manteau inférieur et au noyau La cellule à enclumes de diamant repose sur un principe physique simple : pour atteindre des pressions élevées il faut appliquer une force importante sur une surface la plus réduite possible. Le diamant présente des caractéristiques de résistance à la compression exceptionnelles. C'est à la fin des années 1950 qu'un américain a eu l'idée d'utiliser des diamants comme enclumes dans un montage de type « presse de Bridgman ». L'échantillon à étudier sous pression est placé dans un trou (de 50 à 300 mm de diamètre) percé dans une feuille de d'acier de quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur que l'on serre entre deux diamants Le laser permet de chauffer l'échantillon Génération des conditions de haute pression La cellule à enclume de diamant: un accès au manteau inférieur et au noyau Calibration de la pression Les éclats de rubis servent à mesurer la pression à laquelle est soumise l'échantillon (Figure 5). Les rubis dopés avec des ions Cr3+ émettent une fluorescence quand ils sont éclairés par un faisceau laser. Cette fluorescence est analysée par un spectromètre. Le spectre montre deux raies de fluorescence qui se décalent avec la pression. Le décalage est calibré en fonction de la pression. Génération des conditions de haute pression La cellule à enclume de diamant: un accès au manteau inférieur et au noyau Gamme de pression et de température: 300 Gpa 1500°C Mesures spectroscopiques (Rx, Brillouin, Raman) Inconvénients: - petite taille de l'échantillon - inhomogénénité possible dans l'échantillon Génération des conditions de haute pression -Les dispositifs dynamiques: les ondes de choc Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression Création d'une onde de choc par projectile ou un impacteur Technique la plus performante: laser => focalisatrion du rayon sur un milieu absorbant vaporisé ce qui crée une onde de choc Variation de P et T suivant une relation particulère: l'équation d'Hugoniot Génération des conditions de haute pression Bilan sur les expériences de haute pression: 3. Comportement des silicates sous haute pression Le comportement des minéraux du manteau Cas de la péridotite: transition de phase de l'olivine Pente de Clapeyron dp/dT Le comportement des minéraux du manteau Cas de la péridotite: transition de phase de l'olivine en relation avec les discontionuités sismologiques Le comportement des minéraux du manteau La découverte d'une nouvelle phase, la Post-pérovskite (Oganov,2004 et Murakami, 2004) Le comportement des minéraux du manteau Composition minéralogique du manteau Conclusion Conclusion Obervations des échantillons terrestres et extra-terrestre permettent de connaître la composition chimique de la Terre. Les observations sismologiques donnent des indications quant à la structure du globe Les expériences de haute pression et de haute température permettent de déterminer les structure minéralogique du manteau terrestre, avec notamment l'établissement des diagrammes de phase, et propriétés physiques de ces minéraux à HP et HT. Application à la dynamique de la Terre et aux autres planètes et satellites du système solaire, cf TD de mercredi, amener vos calculatrice!!!!! Et pour les planètes gazeuses???? Conclusion Cas des planètes gazeuses Au centre de Jupiter: P= 4 000 Gpa, T= 20 000K, on est loin de tout savoir......
