Mécanicien automobile

Dem10/Jennifer Renteria, Smithsonian.

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La Terre, notre maison chérie dans le cosmos, possède une caractéristique remarquable qui la distingue de ses pairs planétaires : les continents et leur hauteur au-dessus du niveau de la mer. Ces masses continentales colossales, grouillantes de vie et de diversité, contribuent à l'habitabilité unique de notre planète. Pourtant, les origines des continents de la Terre, ainsi que leurs propriétés distinctes, ont longtemps intrigué les scientifiques.

Nasa

Maintenant, une nouvelle étude d'Elizabeth Cottrell, géologue de recherche et conservatrice de roches au Smithsonian's National Museum of Natural History, et de Megan Holycross, professeure adjointe à l'Université Cornell, nous a peut-être rapprochés de la résolution de ce mystère.

C'est-à-dire que leur étude, publiée dans Science, remet en question et démystifie une hypothèse populaire qui cherchait à expliquer pourquoi la croûte continentale a une teneur en fer plus faible et est plus oxydée par rapport à son homologue océanique. Ceci est important car le manque de fer est essentiel pour expliquer pourquoi une grande partie de la surface de notre planète est au-dessus du niveau de la mer, permettant à la vie de prospérer sur terre.

Pour vraiment saisir l'impact de cette recherche sur notre compréhension des origines continentales de la Terre, Interesting Engineering (IE) a engagé une conversation éclairante avec Elizabeth Cottrell elle-même.

"Parmi les planètes rocheuses du système solaire interne, la croûte continentale est unique à la planète Terre. Surtout, la croûte continentale a des concentrations plus faibles de l'élément fer par rapport à la croûte océanique", a expliqué Cottrell à IE.

Elle a décrit comment cela rend la croûte continentale moins dense et plus flottante que la croûte océanique, de sorte qu'elle ne se recycle pas facilement à l'intérieur de la Terre lorsque les plaques tectoniques de la Terre se déplacent.

"En conséquence, les continents de la Terre sont anciens - dépassant 4 milliards d'années à certains endroits - et très stables par rapport à la croûte océanique, qui survit rarement plus de 200 000 ans avant d'être recyclée à l'intérieur de la Terre en raison de sa haute densité", elle a ajouté.

Elle a également expliqué que le fer de la croûte continentale est plus susceptible d'être dans un état chimique oxydé que le fer de la croûte océanique. De manière significative, les géologues ont longtemps cherché à comprendre comment la croûte continentale oxydée et appauvrie en fer de la Terre se forme et pourquoi elle ne se forme pas sur d'autres planètes de notre système solaire.

"Dans notre étude, nous nous sommes rapprochés de la compréhension des mécanismes viables qui pourraient fonctionner pour épuiser la croûte continentale de fer", a déclaré Cottrell.

"Une hypothèse populaire a suggéré que la cristallisation du grenat minéral [un groupe de minéraux silicatés et la pierre de naissance de janvier] à partir de la roche en fusion profondément sous la surface de la Terre pourrait fonctionner pour extraire le fer."

Elle a décrit comment retirer un minéral riche en fer de la roche en fusion aurait pour résultat que la roche restante aurait moins de fer, la rendant similaire à la croûte qui forme les continents. Cette hypothèse était séduisante car le fer est présent dans un minéral appelé grenat sous deux formes différentes : une avec moins d'oxygène (dite "réduite") et une avec plus d'oxygène (dite "oxydée").

De plus, elle a souligné que si le grenat éliminait de manière sélective le type de fer avec moins d'oxygène, cela donnerait non seulement des roches avec moins de fer mais aussi des roches avec plus d'oxygène, répondant à deux caractéristiques cruciales de la croûte continentale.

"Dans notre laboratoire, nous avons décidé de tester cette théorie. Nous avons fait pousser des cristaux de grenat minéral à partir de roche en fusion à des pressions et des températures élevées dans un appareil spécial appelé presse à cylindre à piston", a-t-elle déclaré. De cette façon, les chercheurs ont tenté de reproduire la chaleur et la pression intenses de la croûte terrestre en laboratoire.

Smithsonien

"Les presses à piston-cylindre ne sont en fait pas très high-tech - elles fonctionnent sur le même principe qu'un cric de voiture... Nous avons certaines des mêmes compétences qu'un mécanicien automobile à cet égard", a-t-elle ajouté.

"Nous avons ensuite refroidi le mélange si rapidement que la chimie s'est "gelée", générant le grenat minéral entouré de verre qui était autrefois de la roche en fusion."

"Après ces expériences relativement low-tech, nous avons effectué plusieurs analyses high-tech très cool. Pour quantifier l'état chimique du fer dans nos grenats et verres (pour savoir s'il était réduit ou oxydé), nous avons dû nous rendre à l'Argonne National Laboratoire - qui abrite la source de photons avancée (APS)."

Elle a expliqué que l'APS accélère les électrons presque à la vitesse de la lumière. Les électrons zooment autour d'un anneau de stockage de plus d'un kilomètre de circonférence et, à mesure que les électrons contournent les virages de la piste, ils émettent un rayonnement synchrotron - des rayons X ultra-brillants que les chercheurs pourraient concentrer sur leurs échantillons.

"Nous sommes allés plusieurs fois à l'APS pour radiographier nos échantillons afin de quantifier l'état électronique du fer dans les grenats et les verres. Chaque voyage au synchrotron dure plusieurs jours, et chaque voyage est très excitant", a-t-elle révélé.

"Il faut d'énormes équipes d'ingénieurs et de scientifiques pour maintenir une installation comme l'APS opérationnelle. Nous sommes très chanceux d'avoir accès à un outil aussi phénoménal."

"Nous avons également mesuré la concentration de fer dans les grenats et le verre sur un instrument appelé microsonde électronique à la Smithsonian Institution", a-t-elle ajouté.

Notamment, les analyses ont révélé que les grenats contenaient de plus petites quantités de fer réduit que prévu. "Cela signifie que la cristallisation du grenat minéral à partir de la roche en fusion ne générera pas la chimie oxydée et appauvrie en fer de la croûte continentale", a expliqué Cottrell.

G. Macpherson et E. Cottrell, Smithsonian.

Interrogée sur le moment clé qui lui a fait réaliser que l'explication populaire du grenat ne correspondait pas à la formation des continents, sa réponse a été limpide :

"C'était quand nous étions au Laboratoire national d'Argonne, et nous avons observé les spectres de rayons X des grenats et des verres que nous avions créés au laboratoire", a-t-elle expliqué. "A ce moment, nous savions que le grenat ne pouvait pas fonctionner comme prévu dans la génération de la croûte continentale."

"Notre travail est limité par la mesure dans laquelle nous pouvons simuler l'intérieur de la Terre en laboratoire", a admis Cottrell.

Elle a souligné qu'un obstacle important qu'ils rencontrent est le manque de conteneurs appropriés dans leur laboratoire qui peuvent résister à la roche en fusion sans provoquer de réactions chimiques indésirables.

À cet égard, ils s'efforcent continuellement d'innover et d'explorer de nouvelles méthodes imaginatives pour concevoir des expériences. Leur objectif est de mieux comprendre l'intérieur de la Terre tout en minimisant les interférences ou les distractions causées par les limitations de l'équipement.

"Certains membres de mon équipe restent concentrés sur les problèmes liés à la formation de la croûte continentale", a-t-elle déclaré. "Si le grenat ne peut pas conduire à l'appauvrissement en fer et à l'oxydation, quel est le mécanisme ?" Les prochaines étapes de l'équipe consisteront à mener des expériences et à analyser des roches naturelles pour le découvrir.