Le fer métal et ses alliages: les constituants principaux du noyau de la Terre et des planètes telluriques

Daniele Antonangeli

Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC) UMR CNRS 7590

Sorbonne Universités – UPMC

Propriétés physiques et chimiques du fer aux conditions P-T pertinentes nécessaires pour modéliser la structure et la dynamique

des noyaux planétaires telluriques

Terre et planètes telluriques: même structure globale en couches concentriques

Météorites: vestiges des blocs primitives à Composition globale du système Terre

Fer dans le noyau

Différenciation

Matériaux denses: Fe, Ni Matériaux légers: Si, O, Mg, Al, Ca, Na

Ondes sismiques dans la Terre

Imagining Earth’s Interior

!courtesy of E. Garnero

Imager l'intérieur de la Terre

Profils sismiques 1-D

“What materials may have the e l a s t i c p r o p e r t i e s demonstrated by the seismic waves under the conditions of the interior?”

F. Birch, 1952

ßà Elasticité des géo-matériaux

Preliminary Reference Earth Model (PREM) Dziewonski and Anderson (1981)

Noyau Manteau

Noyau: relation vitesse-densité

Birch (1962)

Fe (+Ni) constituants principaux du noyau terrestre

Progrès dans le domaine P-T étudié par cellule à enclumes de diamant chauffé par laser

après Hirose et al., Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 2013

techniques autres que la diffraction des rayons X

I.R. laser

I.R. laser

Structure hcp stable aux conditions P-T du noyau interne de la Terre

periments is that chemical impurities such assilicon and sulfur, which have the ability tochange the stable crystal structure (9, 18, 25),were not accounted for.

Strong seismic anisotropy exists in the innercore, with longitudinal waves traveling ~3%faster along the polar axis than in the equatorialplane (1). This was originally attributed to thepreferred orientation of hcp Fe, which exhibitsa strong single-crystal elastic anisotropy, at

least at low temperature (26). However, Steinle-Neumann et al. (27) demonstrated that the c/aaxial ratio of hcp Fe increases substantiallywith increasing temperature (Fig. 4), which hasa significant influence on its elastic anisotropy.More recent calculations (6, 28) reported thatthe c/a ratio approaches the value of 1.6299for the ideal hcp structure at high temperature,and consequently elastic anisotropy of hcp Feno longer exists at inner core conditions. On the

other hand, experimental evidence previouslysuggested weak temperature dependence ofthe c/a ratio at 140 GPa (22), as do our data at~330 GPa (Fig. 4). The c/a ratio of 1.602 at332 GPa and 4820 K, which is substantiallylower than the ideal value, suggests that hcpFe should be elastically anisotropic even at thehigh temperature conditions of the inner core.The observed seismic anisotropy may thereforeresult from the preferred orientation of the hcpphase with the c axis parallel to Earth’s rotationaxis (26).

References and Notes1. A. Morelli, A. M. Dziewonski, J. H. Woodhouse, Geophys.

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Planet. Inter. 152, 67 (2005).29. We thank N. Sata, T. Komabayashi, and Y. Tanaka for

technical support. The synchrotron XRD measurementswere conducted at beamline BL10XU of the SPring-8synchrotron radiation facility (proposal nos. 2009B0087and 2010A0087). S.T. was supported by the JSPSResearch Fellowships for Young Scientists.

Supporting Online Materialwww.sciencemag.org/cgi/content/full/330/6002/359/DC1Materials and MethodsFigs. S1 to S3Tables S1 and S2References

6 July 2010; accepted 9 September 201010.1126/science.1194662

0 50 100 150 200 250 300 350 400

1000

2000

3000

4000

5000

6000

bcc

Liq.

hcpfcc

geotherm

fcc

upper mantle

lower mantle outer core5100 64002900660

inner core

Depth (km)

Pressure (GPa)

Tem

pera

ture

(K)

samplesample

50µm50µm

Fe

Fig. 3. Phase diagram of Fe and the inferred temperature profile inside Earth (19, 23, 24). Opensymbols indicate the present results (different symbols indicate different runs), and solid diamondsindicate data from previous experimental work (5). The low-pressure solid-solid phase transitionboundaries and melting curve are from Boehler (19). Liq., liquid. (Inset) Sample photograph at335 GPa in the DAC.

Fig. 4. Temperature de-pendence of the c/a axialratio of hcp Fe collectedat 135 GPa (red circles)and ~330 GPa (red dia-monds) (table S2). Previ-ous experimental resultsat 84, 106, and 140 GPaare from Boehler et al.(22) (blue open symbols),and those at 161 GPa arefrom Ma et al. (20) (pur-ple open squares). Theresults of theoretical cal-culations are also shownby the dot-dashed curve(27), dashed curve (6),and dotted curve (28).

0 1000 2000 3000 4000 5000

1.59

1.60

1.61

1.62

1.63

Temperature (K)

c/a

285G

Pa

~330GPa

320G

Pa

240G

Pa

84GPa

106GPa

135GPa135GPa

140GPA140GPa

161GPa

www.sciencemag.org SCIENCE VOL 330 15 OCTOBER 2010 361

REPORTS

on

Oct

ober

19,

201

0 ww

w.sc

ienc

emag

.org

Down

load

ed fr

om

Tateno et al., Science 2010

après Sakai et al., PEPI 2014; Dewaele et al., PRL 2006

EOS vs. modèles sismiques: éléments légers dans le noyau

après Fiquet et al., AGU 2007

PREM  

hcp-­‐Fe  

liquid  

abondances, volatilité et affinité chimique à Si, O, S, C, H

Quels effets sur les propriétés physiques de pur Fe? à  Diagramme de phase, courbe de fusion, vitesse du son…

Relation vitesse-densité pour le fer hcp à 300 K

-  Ultrasons

-  Diffusion inélastique des rayons X

-  Brillouin stimulé

-  Acoustique picoseconde

-  Calculs ab initio

 

à VP du fer hcp à 300 K à la densité du noyau solide est 3-4% supérieure aux valeurs des modèles sismiques

Contraints sur la nature et abondance des éléments légers

(mais aussi effets anharmonique à haute température) Antonangeli & Ohtani, PEPS 2015

Vitesse du son en fonctionne de la densité pour les alliages du fer à haute P et T ambiante

after Badro et al., EPSL 2007; Fiquet et al., PEPI 2009

Modèles compositionnels du noyau solide à partir de mélange linéaires des pôles pures

Vitesses du son et densité du noyau solide obtenus par un alliage avec ~4-5 pds% Ni et ~2 pds% Si à 5000 K

Antonangeli et al. EPSL 2010

mais extrapolation en P très importante, corrections à hautes températures après calculs sur pur Fe,

large corrélation entre T et l’abondance des éléments légers

pure-Fe onde de choc

Fe-Ni(4.3wt%)-Si(3.7wt%) statique 300 K

Effets  non  linéaires  avant  la  fusion?  

Martorell et al. Science 2013

2900 km 135 GPa

6400 km 365 GPa

Noyau externe Graine

T

P

solide

liquide

5100 km 330 GPa Courbe de fusion

Géotherme

Point de fusion à l’interface noyau interne-externe: point d’ancrage pour le géotherme

TICB

TICB ≅ 1.36 TCMB

après Hernlund & Labrosse, GRL 2007

Courbe de fusion du fer

Anzellini et al., Science 2013

détermination par diffraction de rayons x: apparition du signal diffus

Effets des éléments légers

Morard et al., CRAS 2014

Fe-16wt%Si à Si: 30 K/wt% Fe-Fe3S eutectic melting à S: 100 K/wt% (12 wt% S) Fe-FeO eutectic melting à O: 50 K/wt% (12 wt% O)

Densité et EOS des alliages de fer liquide à partir de l’analyse du signal diffus

Morard et al., EPSL (2013)

2200-3000 K for Fe-Ni-S 2500-3200 K for Fe-Ni-Si

Cellules à enclumes de diamantes chauffé par laser

parmi d’autres dans le système solaire…

La Terre: une planète tellurique

parmi d’autres dans l’univers…

Diagramme de phase du fer vs. conditions P-T dans les intérieurs planétaires

après Tateno et al., Science 2010

1  structure hcp (ou ε) stable aux conditions P-T du noyau de la Terre

après Tsujino et al., EPSL 2013

structure fcc (ou γ) stable aux conditions P-T des noyaux des planètes telluriques plus petits et des satellites

Mesures de densité et de vitesse du son du fer et des alliages liquide fer-soufre

aux conditions P-T du noyau lunaire

Alliages Fe-S liquides à 1900 K γ-Fe solid

Antonangeli et al., PNAS 2015

Modèle du noyau de la Lune

Antonangeli et al., PNAS 2015

Découvert exoplanètes: super Terres

Domaine P-T au delà des compressions statique à Compressions dynamiques

Experiences Hugoniot vs. off-Hugoniot

Limites des compressions statiques

Fe hcp

Fe bcc

-  Métrologie -  Diagnostiques ultra-rapides

(synchrotrons, x-fel, …)

Compression quasi-entropique

Remerciements

grant no. 2010-JCJC-604-01 grant no. ANR-12-BS04-0015-04

grant no. NNX11AC68G grant no. NNX09AO80G

F. Decremps, G. Fiquet, M. Gauthier, G. Morard

J. Badro, J. Siebert

D. Andrault

A. Bosak, G. Garbarino, M. Krisch, M. Mezouar

Y. Fei

E. Ohtani

J. Bouchet

T. Komabayashi

N.C. Schmerr

PNP program 2015