Terre profonde: composition, structure, dynamique

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1 Terre profonde: composition, structure, dynamique
Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés Institut de Physique du Globe de Paris Composition chimique du noyau terrestre Anisotropie sismique de la graine Diagrammes de phases et propriétés physiques des alliages de fer à l’état liquide G. Fiquet, J. Badro, A.L. Auzende, D. Antonangeli, J. Siebert

2 Sample thermal emission YAG, YLF or CO2 infrared laser Wavelength Intensity

3 Synchrotron sources…

4 Sound velocities in iron and core properties
Fiquet G., Badro J., Guyot F. et al., Science, 291, 468, 2001. Element Fraction (wt%) Compression (0) Model Inner Core (wt%) Model Outer Core (wt%) Si 2.3 1.28 2.8 O 1.6 1.33 minor 5.3 S2- 9.7 2.51 S- 3.6 1.05 Badro J., Fiquet, G., Guyot F. et al., EPSL, 254, 1-2, 233, 2007 Core with 8 wt% light elements

5 P = 112 GPa P = 22 GPa Anisotropy of longitudinal acoustic velocities in iron aggregate at high pressure For P=22 GPa VP{50°}  VP{90°} For P=112 GPa VP{50°} > VP{90°} ANISOTROPY 4-5% Antonangeli, D., Fiquet G., Badro, J. et al., EPSL 225, 243 (2004)

6 ● Elastic tensor of cobalt at high pressure (as a proxy for iron)
Antonangeli et al., Phys. Rev. Lett., 2004 Antonangeli et al., Phys. Rev. B, 2005 Merkel et al., J. Appl. Phys., 2006 ● Elastic anisotropic properties of iron (sound velocities, anisotropy, c/a ratio at high-pressure and high-temperature…) Antonangeli et al., EPSL 2004 Antonangeli et al., GRL, 2006 Fiquet et al., J. Geophys. Res., in preparation ● Elastic properties and phase diagram of molten alloys (Fe-FeS, Fe-Si-S, Fe-FeO) Sanloup et al., Geophys. Res. Lett., 27, 811, 2000 Sanloup et al., Geophys. Res. Lett., 31, L07604, 2004 Morard et al., High Pressure Research, in press

7 X-ray Emission Spectra of Perovskite
(Mg0.90 Fe0.10)SiO3 Badro et al. Science (2004) High-pressure spin-pairing transition in magnesiowuestite at GPa Badro J., Fiquet G., Guyot F. et al. Science, 300, 789

8 Partage (Fe,Mg) entre la pérovskite et le ferropériclase
Pv Fp Pérovskite Mg et Ferropériclase = phases dominantes du manteau inférieur [2] [1] Transition HS/BS Transition pv/postpv Partitioning coefficient K (pv/mw) P = 72 GPa Caractérisation par imagerie, diffraction électronique et analyse chimique Résultat: Fortes variations du partage du fer dans le manteau inférieur Conséquences géodynamiques? Auzende et al., EPSL, 2008

9 Thermal Conductivity (radiative term)
LS HS

10 The fate of subducted basaltic crust in the Earth's lower mantle
● Perrillat J.P., Ricolleau A., Daniel I., Fiquet G., Mezouar M., Guignot N., Cardon H. (2006) Phase transformations of subducted basaltic crust in the upmost lower mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors 157, 139–149 -0.04 -0.02 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 40 60 80 100 120  -  PREM Pressure (GPa) 1000 1500 2000 2500 Depth (km) Hot slab Cold slab PREM ak135 A BS High-pressure high-temperature in situ X-ray diffraction on MORB samples (ESRF, Grenoble) combined with analytical TEM study of recovered samples Ricolleau et al., Amer. Mineral., 2008

11 CED : Outil pétrologique et géochimique pour la Terre profonde
FIB (focused ion beam) : préparation d’échantillons MET-A : caractérisation minéralogique et chimique (éléments majeurs, état d’oxydation) 200 nm IR laser Fp Pv STXM: caractérisation de l’état d’oxydation des éléments (Fe2+/Fe3+)- ALS, SLS, Soleil 708 eV Pv NanoSIMS : caractérisation chimique (éléments traces) MNHN, LLNL MgO ____ 1 μm Olivine

12 MORB sample recovered from 55 GPa
Thickness ~ 100nm Length ~ 20µm Height ~ 5µm MORB sample recovered from 55 GPa St Mg-pv Ca-pv CF

13 Partage entre liquide et solide à haute pression
Le manteau profond a connu des épisodes de fusion Liquide La cristallisation de l’océan magmatique = stratification du manteau terrestre Océan magmatique Phases de HP Réconciliation modèles géophysiques & modèles géochimiques Kellogg et al., 1999

14 Fusion à la frontière noyau-manteau
ULVZ : fusion partielle en base de manteau Fractionnement élémentaire -> modifications U/Pb, Sm/Nd… Comparaison avec signature des OIB Lay et al, 1998

15 Influence of changes in the electronic state on chemical and physical properties of lower mantle minerals. Study of critical transport properties of minerals at high-pressure and temperature (thermal conductivity, diffusivity) - C2C RTN Marie Curie post-doctoral position open) Elastic properties of Earth materials, phase diagrams (Al and Fe enriched perovskite compounds, iron elastic tensor at high pressure and high temperature) Physical properties and phase relations of slab-related compositions (MORB, harzburgite, sediments) Core mantle boundary (partial melting in the lowermost mantle), Earth differentiation (magma ocean, core segregation) Flux of volatiles released into the mantle (carbon deep cycle, nitrogen)