Signification
Le fer est le principal constituant des noyaux planétaires terrestres, prenant une structure hexagonale tassée fermée dans les conditions du noyau interne de la Terre, et une structure cubique à faces centrées (fcc) aux pressions plus modérées des petits corps, comme la Lune, Mercure ou Mars. Nous présentons ici des mesures de vitesse du son et de densité du fer fcc à des pressions et des températures caractéristiques des petits intérieurs planétaires. Les résultats indiquent que les vitesses sismiques actuellement proposées pour le noyau interne de la Lune sont bien inférieures à celles du fer fcc ou d’alliages de fer plausibles. Notre ensemble de données fournit des contraintes fortes aux modèles sismiques du noyau lunaire et des noyaux des petites planètes telluriques, et nous permet de construire un modèle direct de composition et de vitesse du noyau de la Lune.
Abstract
Les propriétés physiques du fer (Fe) à haute pression et haute température sont cruciales pour comprendre la composition chimique, l’évolution et la dynamique des intérieurs planétaires. En effet, les structures internes des planètes telluriques partagent toutes une nature stratifiée similaire : un noyau métallique central composé principalement de fer, entouré d’un manteau silicaté et d’une fine croûte chimiquement différenciée. Jusqu’à présent, la plupart des études sur le fer se sont concentrées sur la phase hexagonale fermée (hcp, ou ε), car l’ε-Fe est probablement stable dans les conditions de pression et de température du noyau terrestre. Cependant, aux pressions plus modérées caractéristiques des noyaux de corps planétaires plus petits, comme la Lune, Mercure ou Mars, le fer prend une structure cubique à faces centrées (fcc, ou γ). Nous présentons ici des mesures de vitesse du son et de densité par ondes de compression et de cisaillement du γ-Fe à des pressions et des températures élevées, qui sont nécessaires pour développer des modèles sismiques précis des intérieurs planétaires. Nos résultats indiquent que les vitesses sismiques proposées pour le noyau interne de la Lune par une récente réanalyse des données sismiques d’Apollo sont bien inférieures à celles du γ-Fe. Notre jeu de données fournit donc des contraintes fortes aux modèles sismiques du noyau lunaire et des noyaux des petites planètes telluriques. Cela nous permet de proposer un modèle direct de composition et de vélocité pour le noyau lunaire.
- fer
- haute pression
- haute température
- Lune
- noyaux planétaires telluriques
Même si les planètes et satellites telluriques ont des noyaux métalliques composés principalement de fer, les différences de masses apparentes impliquent des conditions de pression (P) et de température (T) différentes au centre de ces corps. Cela se reflète à son tour sur la nature solide ou liquide du noyau et sur la structure cristalline stable de la phase solide. La phase hexagonale fermée (hcp, ou ε) est probablement la phase Fe stable dans les conditions de pression et de température du noyau terrestre (1). Aux P-T modérées caractéristiques des noyaux de planètes relativement petites, comme Mercure (P entre ∼8 GPa et ∼40 GPa, T entre ∼1 700 K et ∼2 200 K) (2) ou Mars (P entre ∼24 GPa et ∼42 GPa, T entre ∼2 000 K et 2 600 K) (3, 4), ou des satellites, dont la Lune (P∼5-6 GPa, T entre 1 300 K et 1 900 K) (5), la structure stable du fer attendue est cubique à faces centrées (fcc, ou γ) (6). Pour cette phase, il n’existe pas de mesures expérimentales étendues des vitesses acoustiques globales en fonction de la pression et de la température. Les études se limitent à une seule détermination de la vitesse de Debye à 6 GPa et 920 K (7) et à une expérience de diffusion inélastique de neutrons (INS) à pression ambiante et 1 428 K (8), bien qu’un ensemble complet et cohérent de mesures des vitesses du son des ondes de compression et de cisaillement (respectivement, VP et VS) et de la densité (ρ) à haute pression et haute température soient des paramètres essentiels nécessaires pour développer des modèles sismiques fiables des noyaux planétaires.
La Lune est le seul autre corps tellurique en dehors de la Terre pour lequel de multiples observations sismiques directes sont disponibles. Celles-ci ont été fournies par le paquet d’expériences de surface lunaire Apollo (9) qui, malgré le nombre très limité de sismomètres et l’étendue sélénographique partielle, a fourni des informations précieuses sur la structure de l’intérieur de la Lune (10, 11). Néanmoins, les investigations sismiques de l’intérieur lunaire le plus profond (>900 km de profondeur) restent très difficiles. La structure du noyau lunaire est controversée, avec seulement une seule étude sismique des ondes S et P réfléchies et converties par le noyau qui détecte directement l’existence d’un noyau interne solide et d’un noyau externe liquide (10). L’existence d’un noyau externe liquide semble également être favorisée si l’on considère le moment d’inertie polaire, la réponse élastique globale au potentiel de marée (nombres de Love), et les contraintes sismiques du manteau (10⇓-12). Dans l’analyse des données sismiques proposée dans la réf. 10, le noyau interne a été modélisé comme étant du fer pur, tandis que le noyau liquide externe a été modélisé comme contenant moins de 13 % en poids de soufre allié au fer (moins de 6 % en poids dans le noyau entier). Diverses observations indirectes indiquent également l’existence d’un noyau métallique (5, 12), bien que les études diffèrent sur de nombreux aspects, comme le rayon du noyau, sa nature solide ou liquide, ou sa composition. Une détermination précise de la structure et de la composition chimique du noyau de la Lune est essentielle pour la compréhension de la dynamique actuelle, ainsi que pour contraindre les modèles d’origine et d’évolution lunaire, y compris l’existence possible d’une dynamo lunaire aujourd’hui éteinte (5, 13).
Le lien entre les observations sismiques et les modèles géophysiques peut être fourni par des expériences qui sondent la propagation des ondes sonores dans les matériaux candidats à des conditions thermodynamiques pertinentes. Ici, nous avons effectué des mesures de densité (ρ) et de vitesse du son (VP et VS) sur du fer cubique centré (bcc) et fcc à haute pression et haute température simultanées, en utilisant la diffusion inélastique des rayons X (IXS) combinée à des mesures de diffraction des rayons X (XRD).
L’IXS permet une identification claire des excitations longitudinales des agrégats dans les échantillons polycristallins, la dérivation directe de VP, et l’estimation de VS (Texte SI, Diffusion inélastique des rayons X et mesures de diffraction) (Fig. 1). Cette technique s’est avérée très adaptée aux mesures sur des échantillons métalliques compressés dans une cellule à enclume de diamant (14⇓-16), et a été récemment étendue aux mesures dans des conditions de P-T élevées simultanées (17⇓⇓-20). En outre, les mesures combinées de XRD donnent une détermination de phase non ambiguë et la dérivation directe de la densité de l’échantillon (Texte SI, Diffusion inélastique des rayons X et mesures de diffraction).