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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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10. Materials and methods are available on Science Online.11. L. S. Dubrovinsky, S. K. Saxena, F. Tutti, S. Rekhi,
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48, 63 (2007).24. F. D. Stacey, P. M. Davis, Physics of the Earth (Cambridge
Univ. Press, ed. 4, Cambridge, 2008).25. L. Dubrovinsky et al., Science 316, 1880 (2007).26. L. Stixrude, R. E. Cohen, Science 267, 1972 (1995).27. G. Steinle-Neumann, L. Stixrude, R. E. Cohen,
O. Gülseren, Nature 413, 57 (2001).28. C. M. S. Gannarelli, D. Alfe, M. J. Gillan, Phys. Earth
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
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