Samedi-sciences (153): la bridgmanite, le mineral le plus abondant de la Terre

Cela peut paraître étonnant, mais le minéral le plus abondant de la planète n’avait pas de nom : on n’avait pas réussi à en trouver un échantillon naturel à la surface de la planète, bien que sa présence en grande quantité dans le manteau de la Terre ait été démontrée par de nombreuses expériences depuis des décennies.

Cela peut paraître étonnant, mais le minéral le plus abondant de la planète n’avait pas de nom : on n’avait pas réussi à en trouver un échantillon naturel à la surface de la planète, bien que sa présence en grande quantité dans le manteau de la Terre ait été démontrée par de nombreuses expériences depuis des décennies.

Image au microscope électronique montrant la bridgmanite dans une veine d'une météorite © Science Image au microscope électronique montrant la bridgmanite dans une veine d'une météorite © Science

Pour pouvoir enfin nommer ce matériau qui ne se forme qu’à très haute pression, deux géophysiciens américain, Oliver Tschauner de l’université du Nevada et Chi Ma du Caltech (Californie), sont allés le chercher dans une météorite « choquée », qui a subi un impact violent dans le passé. Ils ont nommé le minéral « bridgmanite », en hommage au physicien Percy Bridgman, inventeur d’appareils qui produisent de très hautes pressions.

Tschauner et Ma exposent leur découverte dans la revue Science du 28 novembre. La bridgmanite est formée de magnésium associé à un silicate (un atome de silicium combiné à trois d’oxygène). Ce type de structure est appelé perovskite et peut aussi comporter un atome de fer à la place du magnésium. La situation paradoxale est que, depuis longtemps, les géophysiciens ont déduit d’un certain nombre d’indices que ce minéral est très abondant dans le « manteau inférieur » de la Terre, la couche qui s’étend entre 660 km et 2900 km de profondeur – au-delà, on atteint le noyau de la planète.

Différents calculs et expériences ont permis d’estimer que cette « MgSiO3 perovskite », comme on la désignait avant qu’elle soit nommée bridgmanite, représentait environ 38% du volume de la Terre. Ses propriétés physiques et chimiques ont une forte influence sur la répartition des éléments et les flux de chaleur et de matière dans le manteau de notre planète. Mais on ne pouvait pas

En trouver d’échantillon à la surface du globe : la bridgmanite est instable dans les conditions normales de température et de pression. En fait, elle n’est stable qu’aux très hautes pression qui règnent en-dessous de 660 kilomètres de profondeur, et jusqu’à la limite entre le manteau et le noyau.

Pour savoir quels matériaux forment les couches des profondeurs de la planète, les géophysiciens réalisent des expériences à haute pression en utilisant des appareils similaires aux presses inventées par Bridgman. C’est ainsi que l’on a pu produire la bridgmanite, dont la particularité est que le silicium s’y organise selon une structure en octaèdre, alors que les matériaux apparentés que l’on trouve en surface ou dans le manteau supérieur ont une structure tétraédrique. La bridgmanite a une haute densité et, dans les conditions de température et de pression de la surface, elle se transforme en un verre de faible densité.

Les diamants, qui sont aussi des matériaux venant des profondeurs, restent intacts en remontant à la surface, mais ce n’est pas le cas des silicates comme la bridgmanite.

C’est pourquoi, malgré son abondance dans les profondeurs de notre planète, la bridgmanite n’avait pas pu être identifiée à l’état naturel à la surface du globe, mais seulement produite sous forme synthétique. Mais, comme l’expliquent Tschauner et Ma, « les météorites qui ont été fortement choquées fournissent une autre possibilité pour trouver de la bridgmanite préservée »,  car « la pression et la température au moment du choc peuvent être assez élevées pour stabiuliser la bridgmanite, et le retour à des conditions normales peut être assez rapide pour empêcher les réactions qui la détruisent. »

Tschauner et Ma ont étudié une chondrite, météorite pierreuse issue d’un corps de la ceinture d’astéroïdes qui se trouve entre les orbites de Mars et Jupiter. Cette chondrite, qui s’appelle Tenham L6, a subi de très forts impacts qui ont produit des pressions de 23 à 25 gigapascals (de l’ordre de 200 000 bars) et des températures supérieures à 2000°C.

Schéma en coupe de la Terre; la bridgmanite se trouve dans le manteau inférieur (beige clair) © Science Schéma en coupe de la Terre; la bridgmanite se trouve dans le manteau inférieur (beige clair) © Science

C’est dans les veines provoquées par ces chocs que les deux chercheurs ont identifié la bridgmanite. Ils ont pu vérifier que sa composition était similaire à celle de la bridgmanite synthétique. Cette découverte couronne un demi-siècle d’efforts pour identifier un échantillon naturel du matériau solide le plus abondant de la Terre, qui désormais possède un nom officiel et va pouvoir être étudié en détail.

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