Sur Mars, depuis 2019, la mission Insight collecte des données concernant les ondes sismiques traversant le manteau de la Planète rouge. En reproduisant en laboratoire les conditions de température et de pression y régnant, il est possible de reproduire pour étude la composition possible de ses roches et surtout de traduire cette composition en caractéristiques mesurables des ondes sismiques les traversant. C'est ce qu'a fait une équipe de chercheurs français et japonais, illuminant la structure et la composition du manteau martien.

 

 

 

Une équipe internationale de géophysiciens, essentiellement français et japonais, vient de publier dans Geophysical Research Letters les résultats de travaux qui auraient sans aucun doute plu au prix Nobel de physiquephysique Percy Williams Bridgman, et surtout à son élève Francis Birch qui, en 1952, a démontré que le manteau de la Terre est principalement composé de silicatessilicates, et que notre Planète dispose aussi d'un noyau externe liquideliquide et d'un noyau interne solidesolide, tous deux constitués de fer.

En effet, Bridgman a été l'un des pionniers de la physique des hautes pressions que l'on trouve à grande profondeur, dans le manteau ou au cœur de la Terre, voire au centre de planètes géantesplanètes géantes comme Jupiter. Pour cela, il a inventé et développé la technique permettant de soumettre des échantillons de matièrematière à des pressions dépassant 100.000 atmosphèresatmosphères au moyen des cellules à enclumes de diamant.

Prix Nobel de physique 1946, Percy Williams Bridgman (1882-1961) a ouvert la voie à l'étude de la matière à haute pression à l'intérieur des planètes. Il a eu comme étudiants Robert Oppenheimer, le grand géophysicien Francis Birch, et le futur prix Nobel de physique John Hasbrouck van Vleck. Il est considéré comme l'un des théoriciens les plus influents de l'opérationnalisme en épistémologie. © Fondation Nobel
Prix Nobel de physique 1946, Percy Williams Bridgman (1882-1961) a ouvert la voie à l'étude de la matière à haute pression à l'intérieur des planètes. Il a eu comme étudiants Robert Oppenheimer, le grand géophysicien Francis Birch, et le futur prix Nobel de physique John Hasbrouck van Vleck. Il est considéré comme l'un des théoriciens les plus influents de l'opérationnalisme en épistémologie. © Fondation Nobel

Les équations de Birch et les cellules à enclumes de diamant

Francis Birch, quant à lui, va non seulement raffiner la technologie de ces enclumes mais il va proposer une équation d'état et une loi (équation d'état de Birch-Murnaghan et loi de Birch) reliant la pressionpression à la densité des roches dans le premier cas, et la vitesse de certaines ondes sismiquesondes sismiques à la densité et la composition chimique grossière d'une roche dans le second cas.

Birch va se servir de tout cela pour comparer les données provenant de l'analyse des ondes sismiques se propageant à l'intérieur de la Terre à celles déduites de l'étude des ondes élastiques similaires parcourant en laboratoire des matériaux soumis à de hautes pressions et températures. Cela va lui permettre à lui et ses collègues géophysiciens, géochimistes et géologuesgéologues de déterminer la nature des roches du manteau de la Terre en fonction de la profondeur.

C'est exactement la même stratégie que cherchent à exploiter les planétologues voulant connaitre ou simplement préciser la composition et la structure interne d'astresastres comme la Lune ou Mars. Dans le cas de l'exemple pris aujourd'hui, des chercheurs et chercheuses de l'Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS / MNHN/Sorbonne Université) et de l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP, CNRS/IPGP/Univ. Paris), en collaboration avec des collègues japonais, ont entrepris de faire parler avec de nouvelles données obtenues en laboratoire les enregistrements des ondes sismiques martiennes fournies par le sismomètre Seis, déposé à la surface de Mars début 2019 par la mission InSight de la Nasa.


Pour recréer les conditions régnant dans les profondeurs des planètes, des échantillons de matière peuvent été placés entre les pointes de deux diamants. Les diamants sont alors pressés l’un contre l’autre afin de produire des pressions très élevées. Un faisceau laser infrarouge peut alors chauffer l’échantillon jusqu’à 1.000 °C et plus. Traduction en français en cliquant sur le rectangle blanc en bas à droite, puis sur l'écrou, ensuite sur « Sous-titres » et « Traduire automatiquement ». © Carnegie Science

Comme l'explique un communiqué du CNRS, les données collectées par Seis étaient analysées avec un modèle de l'intérieur du manteau de Mars largement inféré indirectement du modèle de la composition du manteau de la Terre. Mais les chercheurs ont voulu disposer d'une détermination moins indirecte en tentant de reproduire en laboratoire l'état de mélanges de minérauxminéraux probables soumis à des couples de pression et température crédibles à différentes profondeur à l'intérieur de la Planète rouge.

Des ondes sismiques qui se propagent selon une loi imprévue

Techniquement, le communiqué précise que, en fait, se sont des verresverres qui ont été synthétisés et qui ont ensuite été comprimés et chauffés, soit dans un appareil piston-cylindre, soit dans un appareil multi-enclumes, créant les conditions désirées de pression et de température existant dans le manteau de Mars, à savoir 3 GPa et 1.200 °C à 250 km de profondeur, et 8 GPa et 1.300 °C pour  670 km de profondeur.

Coupe schématique de l’intérieur de Mars mettant en évidence les couches principales (de l’extérieur vers l'intérieur : une croûte basaltique, un manteau silicaté plus riche en oxydes du fer que le manteau terrestre, et le noyau métallique) ainsi que la profondeur et l’extension de la zone à faible vitesse sismique. © IPGP, David Ducros
Coupe schématique de l’intérieur de Mars mettant en évidence les couches principales (de l’extérieur vers l'intérieur : une croûte basaltique, un manteau silicaté plus riche en oxydes du fer que le manteau terrestre, et le noyau métallique) ainsi que la profondeur et l’extension de la zone à faible vitesse sismique. © IPGP, David Ducros

Les expériences empruntant les pas de Francis Birch ont été réalisées au Japon avec les échantillons étudiés à l'aide de techniques ultrasonores et de diffractiondiffraction et imagerie par rayons Xrayons X afin de déterminer leurs densités et les vitesses des ondes sismiques de compression et de cisaillement générées et propagées dans les matériaux en fonction de la pression et de la température.

Parmi les principales conclusions atteintes par les chercheurs, le communiqué du CNRS précise que les expériences « ont mis en évidence une minéralogie plus complexe de celle considérée jusqu'à présent, avec l'existence probable de minéraux riches en ionsions ferriques dans les régions plus oxydées du manteau supérieur. Par ailleurs, les études ont révélé l'existence d'une région dans le manteau supérieur dans laquelle, contrairement au comportement classiquement attendu, la vitesse des ondes sismiques diminue avec la profondeur, une découverte qui est compatible avec les observations de la mission InsightInsight... alors que température et pression augmentent avec la profondeur, il a été trouvé que l'effet induit par la température est dominant par rapport à l'effet induit par la pression, ce qui conduit à une réduction nette des vitesses des ondes sismiques, en particulier pour les ondes de cisaillement, dans une couche se situant entre 150 et 350 km de profondeur. Remarquablement, l'existence d'une telle couche est indépendante de sa composition minéralogique ».

Toutes ces données vont bien sûr aider à préciser la structure, l'histoire et l'équivalent de la géodynamique terrestre dans le cas de Mars ; elles sont bien sûr aussi amenées à évoluer avec l'arrivée de nouvelles données sismiques en provenance de Seis. On devrait pouvoir étudier également à terme l'interface manteau-noyau de Mars.


Une présentation de début 2018, avant son lancement, de la mission InSight (acronyme de l'anglais Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport ; en français : Exploration interne par les sondages sismiques, la géodésie et les flux thermiques). La vidéo explique pourquoi les planétologues veulent comprendre l'intérieur de Mars et pourquoi elle ne possède plus de champ magnétique. © Cnes