Minéralogie physique de phases silicatées alumino-calciques du manteau terrestre. Implications géodynamiques
Résumé
Mineral physics could provide answers to many questions we asked about mineral phases present in the Earth's mantle, their characteristics, their crystal structure, their phase transitions. In the second part of the twentieth century, high pressure and high temperature experiments could give essential informations about materials from the deep Earth: these data could then be combined to those obtained by seismology measurements, geochemistry analyses, experimental and theoretical geodynamics, for a better understanding of the deep parts of our planet. Many former studies revealed that silicate phases bearing calcium and/or aluminium could display very interesting characteristics and properties, with important geodynamics implications. The combination of calcium and aluminium is know to be very useful for mineral phases: indeed, calcium is able to be substituted by atoms which display large cations, while aluminium when replacing silicon atoms could allow the eventual charge compensation required by the substitution of calcium. Moreover, there is an increasing amount of data which reveal the existence of many new (Ca,Al)-rich silicate phases at (P,T) conditions of the Earth's mantle: these phase are found to display very original structure and properties. In this thesis manuscript, we report the main results obtained about the aluminous calcium perovskite, Al-CaSiO3, which is one of the three main mineral phases present in the lower mantle. We show that this phase is able to incorporate huge amount of natural actinides uranium and thorium which provide the main part of the heat produced in our planet, by radioactive decay. Then the Al-rich Ca-perovskite bearing U and Th could be the thermal engine of the Earth's lower mantle. These results obtained by mineral physics experiments and methodology are presented with the objective to better constrain the recent geodynamics models. Here, we propose that the (U,Th)-Al-CaSiO3 perovskite alone is able to provide the entire bottom heating of the big domes observed in the cross sections of the mantle obtained by seismic tomography. The possible relation between our results from mineral physics and the volume of "hot" materials present at the bottom of the mantle, is also discussed. The second silicate phase bearing Ca and Al presented in this thesis is the new high pressure phase named CAS phase of composition CaAl4Si2O11. After many experimental studies performed at high pressure on basaltic crust assemblage, it is now commonly accepted that the CAS phase is one of the main mineral phases present in the oceanic crust (Mid-Ocean Ridge Basalt, MORB) subducted to the lowermost lower mantle. The CAS phase is shown to be one of the last solid residual phases (with Ca-perovskite) when the oceanic crust is partially molten, as expected when this crust reaches the D'' region. Here, we show that the CAS phase bears an isosymmetrical transition where some silicon atoms adopt a coordination 5, in the trigonal bipyramidal site (2 face-sharing tetraedra). The implications of such intermediate coordination (between coordinations 4 and 6) is discussed in terms of diffusion processes, diffusion creep deformation, viscosity: it appears that the formation of SiO5 groups strongly favours the deformation properties of these materials, and then enhances their transport properties. It is clear that the coordination of silicon atoms could have a strong direct effect on the dynamic processes occurring in the deep mantle. With the two studies presented in this thesis, we see that experimental mineral physics can provide essential data for models in geodynamics, thermal behaviour and in seismology. Seismic waves give informations about the structure of the deep Earth and the density profile, while experimental geodynamics reproduce the rheological behaviour of the mantle with appropriate fluids and a bottom heating: it is then important to provide complementary data about the Earth materials. The study of the CAS phase shows that the macroscopic properties of the mantle could find their origin in the microscopic structure of the Earth's mineral phases.
La minéralogie physique a permis d'élucider de nombreuses énigmes relatives aux phases minérales du manteau terrestre, leur nature, leur changement de phase. L'expérimentation à haute pression et haute température dans la seconde moitié du 20ème siècle a permis d'apporter des données essentielles sur les matériaux du globe : on a pu alors faire le lien entre ces matériaux et les données obtenues par la sismologie, la géochimie et la géodynamique notamment. Les phases silicatées riches en calcium et aluminium se révèlent avoir des caractéristiques particulièrement intéressantes, avec de grandes implications géodynamiques. L'intérêt majeur de la combinaison de ces deux éléments est que le calcium peut être substitué par des cations volumineux tandis que l'aluminium permet d'assurer les compensations de charges en se substituant au silicium. D'autre part, la minéralogie de Ca et Al est caractérisée par de nombreuses nouvelles phases aux propriétés et structures tout à fait originales. Nous présentons ici les principaux résultats obtenus sur la perovskite calcique alumineuse Al-CaSiO3 : cette phase est capable d'incorporer de très grandes quantités d'actinides uranium et thorium, qui sont les principales sources d'énergie du globe. Ainsi cette phase minérale peut être le véritable moteur thermique du manteau inférieur terrestre. Ces résultats sont énoncés dans la perspective de mieux contraindre les modèles géodynamiques récents : ainsi cette phase pourrait à elle seule contribuer au chauffage par le bas de gros dômes observés dans les coupes du manteau obtenues par tomographie sismique. La relation possible entre nos résultats de minéralogie physique et le volume de matériaux chauds dans le bas du manteau terrestre est également discutée. La deuxième phase alumino-calcique présentée ici est la nouvelle phase appelée CAS et de composition CaAl4Si2O11. Il est maintenant acquis que ce minéral est essentiel dans les basaltes en subduction, notamment lorsqu'ils sont partiellement fondus. Mais plus intéressant, nous montrons que cette phase est caractérisée par une transition isosymétrique permettant à des atomes de silicium d'adopter une coordinence 5 au sein d'une bipyramide trigonale (2 tétraèdres partageant une face). L'importance d'une telle coordinence pour Si, intermédiaire entre les coordinences 4 et 6, est discutée, notamment en termes de processus de diffusion, de déformation par fluage diffusionnel, de viscosité : il apparaît clairement que des espèces telles que les groupes SiO5 favorisent grandement la déformation des matériaux qui les contiennent, et contribuent donc à améliorer leurs propriétés de transport. Ainsi la coordinence du silicium a un effet direct sur les processus dynamiques se produisant dans le manteau profond. A travers ces deux grandes études, on s'aperçoit à quel point les résultats de minéralogie physique peuvent apporter des données essentielles permettant d'alimenter des modèles géodynamiques, des modèles de fonctionnement thermique ou des modèles sismologiques. La sismologie ausculte le globe dans sa totalité, les expériences de géodynamique en laboratoire simulent le comportement rhéologiques du manteau avec des fluides et un chauffage par le bas : il est important d'apporter à ces modèles des informations précises sur les matériaux traversés par les ondes sismiques, ou que l'on essaie de modéliser en dynamique. D'autre part, l'étude de la phase CAS montre que des propriétés macroscopiques observées dans le manteau terrestre peuvent trouver leur origine dans la structure microscopique des phases minérales du manteau.
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