Un phénomène quantique au plus profond de la Terre augmente les tremblements de terre et les éruptions volcaniques

14/10/2021 à 8h00 CEST

Une recherche internationale menée par Columbia University (NY) a découvert des transitions de phases quantiques à l’échelle mondiale dans l’un des minéraux qui composent le noyau interne de la Terre : à plus de 660 kilomètres de profondeur, ce phénomène quantique opprime les masses tectoniques et augmente les séismes et des éruptions volcaniques partout sur la planète.

L’intérieur de la Terre est un mystère, surtout aux grandes profondeurs : ce sont des régions qui se situent à plus de 660 kilomètres sous la surface de la Terre.

Nous parlons du manteau inférieur de la planète, composé principalement de bridgmanite, de ferropériclase et de pérovskite de silicate de calcium.

Le manteau inférieur commence à 660 kilomètres de profondeur et atteint 2 900 kilomètres, là où commence le noyau externe.

Ce sont des régions imprenables : jusqu’à présent, nous n’avons pu pénétrer qu’à 12,3 kilomètres de profondeur sous la surface de la terre (puits super profond de Kola).

Pour savoir ce qui se passe dans ces régions profondes, les chercheurs ne disposent que d’images tomographiques sismiques de cette région : pour les interpréter, ils doivent calculer les vitesses sismiques (acoustiques) dans les minéraux à hautes pressions et températures.

Avec ces calculs, ils peuvent créer des cartes de vitesse 3D et connaître la minéralogie et la température des régions observées – ils permettent une meilleure compréhension des tremblements de terre et des éruptions volcaniques qui se produisent à la surface.

Sujet connexe : Le noyau interne de la Terre est déstabilisé

Transitions de phase

Transitions de phaseL’une des choses qui se passe avec la matière sont les transitions de phase, extrêmement importantes pour déterminer la nature et la dynamique des matériaux.

Les transitions de phase se produisent lorsque la matière change : par exemple, d’un solide à un liquide ou à un gaz. Et aussi lorsqu’un solide cristallin cesse d’être homogène et brise la symétrie de translation (perd son identité antérieure).

Les transitions de phase sont des événements fréquents, mais lorsque la transition se produit à température nulle ou très basse, on parle de transition de phase quantique: les effets quantiques y prédominent.

Les particules quantiques qui composent les matériaux ont des propriétés spécifiques telles que l’énergie, la quantité de mouvement, le moment cinétique, le spin (moment angulaire intrinsèque de l’électron), et sont exposées à des transitions de phase dans certaines conditions.

Lorsqu’un changement dans sa structure cristalline se produit dans un minéral sous pression, les scientifiques observent généralement une forte discontinuité de la vitesse sismique ou acoustique qui fournit des informations sur la dynamique tellurique.

Premiers soupçons

Premiers soupçonsEn 2003, des scientifiques ont observé pour la première fois en laboratoire un nouveau type de changement de phase dans les minéraux : un changement de spin du fer à partir de la ferropériclase, une variété de la forme minérale de l’oxyde de magnésium appelée périclase, qui est le deuxième composant le plus abondant de la manteau inférieur de la Terre.

Un changement de spin, ou croisement de spin, peut se produire dans des minéraux tels que la ferropériclase sous un stimulus externe, tel que la pression ou la température.

En los últimos años, grupos experimentales y teóricos han confirmado en laboratorio este cambio de fase cuántica, tanto en la ferropericlasa como en la bridgmanita, una mezcla muy densa de silicatos de hierro y magnesio, que es el mineral más abundante en el manto inferior de la terre.

En 2006, la professeure d’ingénierie de Columbia, la Brésilienne Renata Wentzcovitch, a publié son premier article sur la ferropériclase, fournissant une théorie du croisement de spin dans ce minéral : elle a suggéré que cette transition de phase quantique se déroule sur un millier de kilomètres du manteau inférieur. .

En 2014, Wenzcovitch a prédit comment ce phénomène de décalage de spin pouvait être détecté dans les images tomographiques sismiques, mais les sismologues n’ont pas pu le vérifier.

Vérifié : est en train de se produire

Vérifié : est en train de se produireLe dernier article de Wenzcovitch, publié dans Nature Communications, détaille comment il a maintenant identifié le signal de croisement de spin dans la ferropériclase, un transition de phase quantique lorsqu’elle s’est produite profondément dans le manteau inférieur de la Terre.

Il l’a fait en examinant des régions spécifiques du manteau terrestre où l’on pense que la ferropériclase est abondante.

La transition de torsion est couramment utilisée sur des matériaux tels que ceux utilisés pour l’enregistrement magnétique. Si seulement quelques couches d’un matériau magnétique d’un nanomètre d’épaisseur sont étirées ou compressées, cela peut modifier les propriétés magnétiques de la couche et améliorer les propriétés d’enregistrement du support, expliquent les chercheurs.

La nouvelle étude de Wentzcovitch montre que le même phénomène se produit sur des milliers de kilomètres à l’intérieur de la Terre, faisant passer ce phénomène de l’échelle nano à l’échelle macro.

Origine des tremblements de terre et des éruptions volcaniques

Origine des tremblements de terre et des éruptions volcaniques« Des simulations géodynamiques ont montré que le croisement de spins stimule la convection dans le manteau terrestre et le mouvement des plaques tectoniques. Nous pensons donc que ce phénomène quantique augmente également la fréquence des événements tectoniques tels que les tremblements de terre et les éruptions volcaniques & rdquor;, explique Wentzcovitch dans un communiqué.

Il existe encore de nombreuses régions du manteau que les chercheurs ne comprennent pas et le changement d’état de spin est essentiel pour connaître les vitesses, les stabilités de phase, etc. des matériaux qui la composent, les auteurs de cette recherche se démarquent.

Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour pénétrer dans les profondeurs imprenables de la Terre, puisque ses méthodes de simulation peuvent être appliquées à d’autres matériaux également présents à l’intérieur de la Terre, ajoutent les scientifiques.

Cela signifie que nous avons augmenté la capacité d’analyser des images tomographiques 3D de la Terre et de mieux comprendre comment ces transitions de phase quantiques, qui exercent des pressions écrasantes à l’intérieur de la planète, affectent indirectement nos vies à la surface.

Référence

RéférenceExpression sismologique du croisement de spin du fer dans la ferropériclase dans le manteau inférieur de la Terre. Grace E. Shephard et al. Nature Communications volume 12, Numéro d’article : 5905 (2021). DOI : https : //doi.org/10.1038/s41467-021-26115-z

Photo du haut : expression sismologique du passage du spin du fer en ferropériclase dans le manteau inférieur de la Terre. Crédit : Nicoletta Barolini / Columbia Engineering.

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