L'oxygène : un acteur majeur de la formation de la Terre et de la composition du noyau

Dimanche, 20 janvier 2013

En réalisant des expériences à haute pression et haute température, les chercheurs de l'IMPMC (CNRS, Université Pierre et Marie Curie, IRD), de l'Institut de physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot) et du Lawrence Livermore National Laboratory (USA) résolvent le paradoxe de certains modèles en cours concernant la formation de la Terre et la différenciation du noyau. Ils montrent que l’accrétion de la Terre à partir des météorites les plus communes (chondrites ordinaires, chondrites carbonées) conduit, lors de la formation du noyau par migration du métal dans la Terre primitive, à des abondances du Cr et V dans le manteau silicaté résiduel compatibles avec les abondances observées. Ces travaux ont été publiés dans la revue Science (


Image réalisée par microscopie électronique d’un échantillon produit à haute pression (50 GPa) et haute température (3500 °C). L’analyse chimique de cet échantillon permet de contraindre la répartition du chrome et du vanadium entre les liquides métalliques et silicatés et au cours de la formation du noyau. La présence d’oxygène en quantité dans le métal permet d’expliquer les abondances de ces éléments dans le manteau terrestre et montre qu’on peut former un noyau riche en oxygène. Siebert et al. Science 2013

La composition du noyau, une question toujours d’actualité

La différenciation de la Terre en un manteau silicaté et un noyau métallique représente l'épisode le plus important de fractionnement chimique et de transfert de masse de son histoire. Elle s'est produite au cours de son accrétion à partir de météorites chondritiques, il y a environ 4.5 milliards d'années. On estime actuellement que pendant l'accrétion, des impacts très énergétiques ont généré un océan magmatique à partir duquel le métal, plus lourd, s’est séparé des silicates par différence de densité et a migré vers le centre de la planète pour former le noyau. Le résidu ayant formé le manteau silicaté.

La composition du noyau de la Terre demeure une grande question ouverte des géosciences. Si on sait que le noyau est principalement composé de fer et d'un peu de nickel, l'identité des éléments légers (environ 10% de sa composition pour satisfaire aux observables sismologiques) est toujours méconnue. L'oxygène comme le silicium ou le soufre fait partie des candidats les plus favorables pour entrer dans la composition du noyau.

Différentiation noyau-manteau : le rôle de la pression et de la température

Au cours de la différenciation de la Terre en un manteau et un noyau, les éléments chimiques se sont distribués suivant leur affinité entre métal et silicate en fonction des conditions de pression et température extrêmes régnant dans cet océan magmatique profond. Par exemple, le fer ou le nickel se sont concentrés dans le noyau et appauvris dans les phases silicatées du manteau résiduel. La composition des roches du manteau porte encore aujourd'hui cette empreinte chimique de la formation du noyau, ce qui nous permet d’évaluer les conditions de différenciation et d'accrétion de la Terre.

Pour expliquer les abondances du manteau d’un certain nombre d'éléments comme le nickel et le cobalt il suffit de prendre en compte la formation du noyau aux pressions (50 Gigapascals, soit 500 000 atm) et températures (3500 °C) d’un océan magmatique d'environ 1500 km de profondeur. En revanche, pour expliquer les abondances en chrome (Cr) et vanadium (V) du manteau, il faut faire intervenir la plus ou moins grande teneur en oxygène des matériaux à partir desquels la Terre s’est formée, c’est-à-dire des chondrites.

Jusqu'à présent, les expériences de distribution de ces éléments (Cr et V) entre métal et silicate à haute pression et haute température ont conduit à un modèle de Terre formée principalement à partir de matériaux relativement pauvres en oxygène. Pourtant la majorité des météorites primitives (chondrites) sont des matériaux bien plus oxydés que ceux requis par ce modèle d'accrétion.

Différentiation noyau-manteau : le rôle de l’oxygène

Pour comprendre ce paradoxe, les auteurs de cette publication ont entrepris des expériences à haute pression et haute température en cellule à enclumes diamants et chauffage laser. Cette technique permet de mesurer la répartition des éléments chimiques entre métal (noyau) et silicate (manteau) aux conditions directes de pression et température de la base de l'océan magmatique : environ 50 GPa et 3500 °C . Ils ont pu ainsi observer la présence de quantités significatives d'oxygène dans le métal (~5 poids %) ce qui n'avait pas été mis en évidence lors des études précédentes à plus basse pression et plus basse température. De plus, cette présence d'oxygène dans le métal affecte significativement la distribution du chrome et du vanadium entre métal et silicate et permet ainsi de produire des abondances de ces éléments dans le silicate identiques à celles connues dans le manteau. Ainsi en formant un noyau riche en oxygène, on peut expliquer les teneurs en vanadium et chrome du manteau terrestre.

En conclusion, les résultats de cette étude montrent qu'on génère un noyau riche en oxygène en formant la Terre avec des matériaux dont la teneur en oxygène est similaire à celle des météorites les plus communes (chondrites ordinaires, chondrites carbonées). Ce modèle d'accrétion permet à la fois d'obtenir les teneurs adéquates en V et Cr du manteau avec l'oxygène comme élément léger dominant pour la composition du noyau et d'éviter le recours à des matériaux pauvres en oxygènes, peu échantillonnés parmi les météorites primitives du système solaire pour former la Terre.

Source(s): 

Terrestrial Accretion Under Oxidizing Conditions, Julien Siebert1*, James Badro2, Daniele Antonangeli1, Frederick J. Ryerson2, 3, Science DOI: 10.1126/science.1227923

1-IMPMC, Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés, CNRS, Université Pierre et Marie Curie, IRD, Paris, France
2-Institut de Physique du Globe de Paris, CNRS, Université Paris Diderot,
3-Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA

Contact(s):
  • Julien Siebert, IMPMC (CNRS, UPMC, IRD)
    julien [dot] siebert [at] impmc [dot] upmc [dot] fr, 0144279819
  • James Badro, Institut de physique du globe de Paris (CNRS / IPGP / Université Paris Diderot)
    badro [at] ipgp [dot] fr, 01 83 95 77 99

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