Au plus profond sous nos pieds, dans le manteau incandescent, le fer mène une double vie. Il peut être bivalent ou trivalent — comme une pièce qui retombe sur pile ou face. De quel côté penche la balance dépend la quantité d'oxygène qui reste dans l'enveloppe rocheuse de la planète et celle qui part dans le noyau. Mais ce qui arrive au fer lorsque la pression atteint des millions d'atmosphères restait un mystère.
Pour sonder ces profondeurs, des scientifiques ont pris des verres dont la composition ressemble à celle des basaltes et des péridotites, et les ont enrichis en un isotope particulier, le fer-57. Ensuite, ils ont comprimé les échantillons dans une enclume de diamant (un dispositif où deux diamants pressent l'échantillon) jusqu'à 174 gigapascals — c'est comme si l'on posait le mont Everest sur un ongle. Grâce au rayonnement synchrotron (un rayon X très brillant), ils ont suivi les spectres — des sortes d'empreintes digitales qui révèlent l'état des atomes de fer.
Cette transition est réversible : quand on relâche la pression, tout revient à la normale. Mais tant qu'elle est appliquée, le fer bivalent à spin faible devient plus stable, et le fer trivalent commence à être réduit en fer bivalent. Résultat : la proportion de fer oxydé dans le manteau augmente d'abord avec la profondeur, atteint un maximum à une pression d'environ 40 gigapascals, puis diminue.
Le plus intéressant, c'est que ce pic coïncide avec la pression à laquelle, pense-t-on, la séparation du noyau et du manteau a eu lieu sur la jeune Terre. Si la pression avait été un peu plus basse ou plus haute, l'oxydation du manteau aurait été différente. C'est peut-être cette pression « en or » qui a offert à la Terre sa chimie unique, et avec elle, les conditions propices à la vie.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2606.15472
The Earth's mantle has elevated Fe$$^{3+}$$ relative to those of other rocky bodies, yet the oxidation- and electronic state of iron at extreme pressures is poorly known. We present in-situ energy-domain synchrotron M\"ossbauer spectra of $$^{57}$$Fe-enriched silicate glasses at 298 K from 1 bar to 174 GPa in a diamond anvil cell. Glasses were synthesised with Fe$$^{3+}$$/[Fe$$^{3+}$$ + Fe$$^{2+}$$] from 0.02 $$\pm$$ 0.02 to 1.00 $$\pm$$ 0.02, as determined by colourimetry. While pure Fe$$^{3+}$$-basaltic glass shows minimal changes up to 174 GPa, the spectra of Fe$$^{2+}$$-peridotitic and basaltic glasses are fit by two doublets, D$$_1$$ and D$$_2$$. At 1 bar, their relative intensities are $$\sim$$92 % and $$\sim$$8 %, respectively, but the integral area ratio, D$$_2$$/(D$$_1$$ + D$$_2$$), reaches 0.65 by 172 GPa. Because this transition is reversible with pressure and no metallic iron is detected, the D$$_2$$ feature is Fe$$^{2+}$$ low spin (LS), whereas D$$_1$$ is Fe$$^{2+}$$ high spin (HS). Consequently, the Fe$$^{3+}$$/[Fe$$^{3+}$$+Fe$$^{2+}$$] of planetary mantles reach a maximum near $$\sim$$40 GPa, before decreasing at higher pressures due to the stabilisation of Fe$$^{2+}_{\mathrm{{LS}}}$$. This peak coincides with estimated core-mantle equilibrium on Earth, implying that its uniquely oxidised mantle and habitable state may result from core formation within a Goldilocks pressure range. Secondary atmospheres are predicted to transition from H$$_2$$-rich for Moon-sized bodies, to CO-rich for Earth-like planets and H$$_2$$- and CH$$_4$$-bearing around super-Earths and sub-Neptunes.
La pression de 174 gigapascals atteinte dans l'expérience est plus de 1,7 million de fois supérieure à la pression atmosphérique. À une telle pression, les enclumes de diamant explosent parfois, même si l'échantillon est plus petit qu'un grain de sable.
Dans le roman « Rendez-vous avec Rama » d'Arthur C. Clarke, le vaisseau extraterrestre possède une structure interne qui rappelle une planète avec un noyau et un manteau, où la pression et la chimie créent un écosystème fermé.