Étude expérimentale et in situ du mécanisme de transformation perovskite / post-perovskite et de sa cinétique dans le manteau terrestre

Experimental study of Perovskite / post-Perovskite phase transformation mechanism and its kinetics in the earth mantle

• Auteur / Autrice : Christopher Langrand
• Direction : Sébastien Merkel, Nadège Hilairet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et science des matériaux
• Date : Soutenance le 20/12/2017
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• DOI : 10.70675/b43e6fc6ze805z4148za8c4z983b293e1472

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hautes températures

Limite noyau-manteau

Théorie cinétique de la matière

Hautes pressions

Minéralogie

Rayons X -- Diffraction

Transitions de phases

Mots clés libres

Cristallographie multigrains

Résumé

Aux conditions de pression et température de la couche D'', située à 2700 km de profondeur sous la surface terrestre, la Bridgmanite (Pv), le minéral le plus abondant dans le manteau profond, se transforme en sa phase de haute pression, (Mg,Fe)SiO3 post-perovskite (pPv). Cette transformation de phase est souvent évoquée pour expliquer les différentes anomalies et discontinuités des ondes sismiques au sein de la couche D''. Toutefois, nous manquons d'information sur les détails de cette transformation. L'objectif de cette thèse fut d'améliorer notre compréhension du mécanisme de transformation Pv / pPv et d'en étudier la cinétique. Pour cela, j'ai utilisé la cristallographie multigrains, une méthode qui permet de caractériser des centaines de cristaux in situ dans un matériau polycristallin. Le manuscrit commence par une démonstration de la fiabilité de cette méthode pour des expériences aux conditions extrêmes de pression. Je décris ensuite l'étude expérimentale du mécanisme de transformation Pv/pPv avec l'analogue structural NaCoF3. Je trouve que ce mécanisme est martensitique pour le sens Pv vers pPv et reconstructif au retour. Je discute également leurs impacts sur la microstructure au sein de la couche D''. Par la suite, je présente l'étude cinétique de cette transformation dans la composition (Mg0,86,Fe0,14)SiO3 et j'extrapole nos données afin de contraindre la dynamique et la cinétique de cette transformation aux conditions P/T de la couche D'', en tenant compte de la pression, de la température, et de la taille de grains.

The radial seismic structure of the earth is marked by a sharp transition about 200 km above the core-mantle boundary. This defines the top of the region called the D'' layer. Moreover, at these P/T conditions, Bridgmanite (Pv), the main lower mantle mineral, transforms into its high-pressure phase, (Mg,Fe)SiO3 post-perovskite (pPv). This phase transition has received considerable interest due to its thermodynamic properties, the induced textures and microstructures that seem to explain many of the seismic anomalies of the D'' layer. However, its thermodynamic properties and transformation mechanisms are not very well known. The main purpose of this thesis was to investigate the Pv/pPv phase transition and its kinetics. To do so, we used a novel method, called Multigrain Crystallography, to characterize in-situ hundreds of crystals in a polycrystalline material. The reliability of the method for experiments under extreme conditions is tested in the first part of this manuscript. I then focus on the Pv/pPv phase transition mechanism on a structural analog of composition NaCoF3. I determine that the Pv to pPv transformation is martensitic and that the reverse transformation is reconstructive. Their impacts on the D'' layer microstructure are also discussed. Finally, I explore the kinetics of the (Mg0,86,Fe0,14)SiO3 Pv to pPv transition by time-series experiments. Moreover, based on our data, I present two possible kinetic models that include the effect of pressure, temperature, and grain size. These models have important implications to constrain the dynamics and kinetics of the Bridgmanite to pPv transition at the D'' layer P/T conditions.