QUELLE TAILLE ONT LES GRAINS AU FOND DU MANTEAU ?

Loin sous l’Afrique et l’océan Pacifique, à la base du manteau, les ondes sismiques ralentissent dans deux régions gigantesques appelées grandes provinces à faible vitesse de cisaillement (LLSVP en anglais). Elles s’élèvent à plus de 1 000 km au-dessus de la frontière avec le noyau et couvrent près d’un quart de sa surface. Sont-elles plus chaudes, chimiquement différentes, ou les deux ? Le débat reste ouvert. Des études d’atténuation sismique suggèrent qu’elles sont faites de gros grains, entourées d’un manteau à grains plus fins.

L’un des ingrédients candidats est la davemaoïte, un silicate de calcium de structure pérovskite, troisième minéral le plus abondant du manteau inférieur : environ 10 % de la pyrolite, le modèle standard de roche du manteau, et jusqu’à 25 % du basalte subducté.

Une énigme à trente pour cent

La davemaoïte est difficile à étudier. On ne peut pas la remonter intacte à la surface — elle change de structure en refroidissant et devient vitreuse quand la pression baisse —, si bien qu’il faut mesurer son élasticité sous haute pression et haute température. Et là, depuis des décennies, théorie et expérience divergent : les calculs quantiques prédisent un module de cisaillement environ 30 % plus élevé que celui mesuré. Pour la plupart des minéraux du manteau, les deux concordent étroitement.

Peiyu Zhang, Liang Yuan et leurs collègues de l’université des géosciences de Chine à Wuhan, de l’université de Bayreuth en Allemagne et de l’université du Michigan ont soupçonné les échantillons. Toutes les mesures de laboratoire utilisaient des polycristaux fabriqués à partir de verre, aux grains de quelques dizaines de nanomètres seulement — donc beaucoup de joints de grains. De fines couches désordonnées à ces joints, ou un reste de verre, se verraient à peine en diffraction X mais pourraient assouplir le matériau.

Des millions d’atomes

Pour le vérifier, l’équipe a entraîné un modèle d’apprentissage automatique des forces entre atomes sur des calculs quantiques couvrant 0 à 100 gigapascals et 0 à 6 000 kelvins, assez précis pour simuler d’énormes systèmes. Elle a d’abord vérifié les bases : dans le manteau inférieur, la davemaoïte est cubique en moyenne. Un monocristal parfait de 20 480 atomes donnait encore des ondes de cisaillement plus de 10 % trop rapides par rapport à l’expérience — ni la taille de la simulation ni un changement de phase voisin n’expliquaient l’écart.

Elle a ensuite construit des boîtes d’environ 30 nanomètres de côté contenant 15, 120 ou 480 grains orientés au hasard, jusqu’à 3,4 millions d’atomes, à 50 gigapascals et 2 142 kelvins. Plus les grains sont fins, plus la fraction désordonnée est grande : 1,8, 3,5 et 5,8 % en volume.

Peu de désordre, beaucoup de mollesse

Entre un cristal parfait et l’échantillon à 480 grains :

• le module de cisaillement chute de 37 % (de 213 à 136 gigapascals) ;
• le module d’incompressibilité ne baisse que de 12 % ;
• la vitesse des ondes de cisaillement baisse de 19,3 %, celle des ondes de compression de 10,6 %.

Quelques pourcents de désordre aux joints de grains suffisent donc à réconcilier théorie et expérience. Les diffractogrammes X simulés changent à peine sur la même plage, ce qui explique que les expérimentateurs ne l’aient pas vu. Le polycristal se comporte comme l’arrangement le plus mou que la physique autorise : sa rigidité est fixée par un réseau connecté de joints souples.

Un plancher pour la taille des grains

Injectée dans des modèles de roches du manteau, la davemaoïte assouplie produit une signature de type LLSVP dans un matériau riche en basalte : des ondes de cisaillement 6,2 % plus lentes que dans la pyrolite, des ondes de compression seulement 1,9 % plus lentes. Les auteurs insistent : c’est la démonstration d’un mécanisme, pas la preuve que des grains aussi fins existent là-bas.

Retournée, la relation donne une contrainte. La fraction désordonnée vaut à peu près la largeur des joints (environ 1 nanomètre) divisée par la taille des grains. Pour garder les anomalies modestes des ondes de compression observées dans les LLSVP, cette fraction doit rester sous environ 1 %, donc les grains doivent mesurer au moins environ 100 nanomètres. Ce plancher concorde avec les modèles de croissance des grains dans le manteau en convection et avec les indices sismiques de LLSVP à gros grains.

Les simulations utilisent un silicate de calcium pur, alors que la davemaoïte naturelle contient sodium, potassium, fer, aluminium et titane, et leurs grains sont bien plus petits que ceux du vrai manteau. L’équipe propose trois voies de laboratoire — diffusion X totale, imagerie Raman et cartographie chimique des joints à l’échelle nanométrique — pour mesurer enfin combien de désordre se cache dans les échantillons qui ont fixé les chiffres jusqu’ici.