Transformations de phase, microstructures, et leur signatures sismiques dans le manteau terrestre – TIMEleSS

Notre connaissance de la terre solide se construit à l'aide de recherches concertées dans des domaines tels que la pétrologie, la géochimie, la géodynamique, la sismologie, ou la physique des des minéraux. Par exemple, les transformations de phase dans les minéraux induisent des frontières physiques à l'intérieur de la terre. L'analyse de signaux sismiques de ces régions apportent des points de comparaison importants pour établir notre connaissance de la structure, composition et dynamique de la planète. Du fait des conditions extrêmes à l'intérieur de la terre, les minéraux se transforment. Leurs propriétés doivent être étudiées par des expériences en laboratoire. En parallèle, la sismologie nous apporte l'une des rares observables directes sur les processus à l'intérieur de la terre. Les formes d'ondes sismiques, en effet, sont contraintes par l'état présent de la matière le long de leur chemin de propagation.
La transition vers le manteau inférieur à 660 km, par exemple, a été caractérisée en sismologie. La pétrologie a démontré qu'elle est due, principalement, à la décomposition du minéral ringwoodite en bridgmanite et ferropériclase. Pouvons-nous développer des modèles de terre au-delà de simples comparaisons entre discontinuités sismiques et profondeurs de transformations minérales ? Peut-on utiliser les signaux sismiques issus des discontinuités pour caractériser les processus à l'intérieur de la terre ? Cela changera-t-il notre vision sur la structure et dynamique de la planète ? Ce sont les questions auxquelles TIMEleSS cherche à répondre.
Les transformations de phase induisent des modifications de structure, densité, élasticité, mais aussi dans la microstructure, l'arrangement des phases, grains, et déformations dans le matériau. En sismologie, les discontinuités donnent lieu à des signaux beaucoup plus précis et définis que ceux du reste du manteau. En revanche, certains signaux et leur connexion aux processus physiques à ces profondeurs restent mal compris. Ceci est particulièrement vrai pour la région entre 600 et 1700 km de profondeur, avec une structure complexe de réflexions d'ondes à 660 km, des structures de taille plus faibles à des profondeurs intermédiaires, et une discontinuité supplémentaire potentiellement observée à ~1000 km. En fin de projet, nous voulons modéliser l'effet des transformations de phase et des microstructures associées à ces observations et, par des comparaison avec des mesures sismiques, identifier les processus en cours à ces profondeurs.
Dans TIMEleSS, nous voulons comprendre l'effet des microstructures sur les signaux sismiques issus des discontinuités entre 600 et 1700 km. Cet objectif global nécessite des expériences pour établir les microstructures induites par les transformations de phase dans des assemblages minéralogiques pertinents et la modélisation des signaux sismiques correspondants. En parallèle, nous conduirons des études sismiques avec de nouvelles combinaisons d'ondes pour identifier les structures de grande et petite échelle dans ce domaine de profondeur. Ainsi, l'objectif du projet TIMEleSS est de développer une nouvelle méthodologie pour répondre à des questions qui ne peuvent pas être adressées par une simple analyse de séquences de transformations thermodynamiques mais qui incluent, en plus, les effets de microstructure et des processus dynamiques en cours à l'intérieur de la terre.
Un tel projet n'est possible que dans le cadre d'une collaboration regroupant les expertises existantes à Lille, Münster, et Potsdam. Les porteurs du projet sont des experts en expérimentation in-situ, observation sismique, minéralogie de la terre profonde, et modélisation de signaux sismiques. Nous formerons un nouveau groupe de scientifiques en France et en Allemagne qui bénéficieront de ces interactions tout au long du projet. La combinaison d'expertises et la nouveauté des approches trouvées ici sont les garants du potentiel scientifique du projet TIMEleSS.