Niobium et tantale témoignent des conditions de formation de la Terre au moment de son accrétion

Mardi, 1 juillet 2014

En étudiant le comportement du nobium et du tantale lors d’expériences en laboratoire simulant les processus de formation de la Terre, des chercheurs du Laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand (CNRS/IRD/Clermont 2/UJM) ont découvert que ces deux éléments étaient d'excellents témoins de la quantité d'oxygène présente pendant la formation des planètes. Leurs travaux confirment notamment que l’accrétion de la Terre s'est d'abord faite dans des conditions très réductrices, et s'est achevée avec des impacteurs plus oxydés. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Geoscience du 29 juin.

  • © C. Cartier et al. Nature Geoscience 2014
  • © C. Cartier et al. Nature Geoscience 2014
  • © C. Cartier et al. Nature Geoscience 2014


Le « Paradoxe du niobium ».

La formation des planètes fut un processus complexe combinant condensation, collision et accrétion, impliquant des corps non différenciés : les chondrites. Simultanément à ce processus de formation, les planètes primitives subirent de grandes étapes de différenciation chimique, dont l’extraction du noyau métallique est l’un des plus importants. Les proportions des éléments constituant les roches du manteau et de la croûte (réfractaires lithophiles de la Terre silicatée) sont censées être identiques aux proportions des météorites chondritiques. En effet, une fois condensés, les éléments réfractaires ne sont pas affectés par les phénomènes de vaporisation, et les éléments lithophiles (ayant une affinité pour la partie rocheuse des planètes, les silicates) ne sont pas affectés par la formation des noyaux métalliques. Le niobium (Nb) et le tantale (Ta) sont tous deux classés parmi les éléments réfractaires et lithophiles, et possèdent la même structure électronique et rayon ionique. De plus, dans les systèmes géologiques ou magmatiques, le Nb et le Ta sont connus pour exister uniquement sous leur forme pentavalente : Nb5+ et Ta5+. Ces caractéristiques bien spécifiques font que les deux éléments, dans leur configuration classique, se comportent de manière identique lors des processus magmatiques (fusion, cristallisation), et ont amené la communauté des Sciences de la Terre à appeler ces deux éléments les « jumeaux géochimiques ». Cependant le rapport Nb/Ta de la terre silicatée (manteau + croûte) est nettement inférieur à la valeur mesurée dans les chondrites, indiquant qu’un processus a fractionné le niobium par rapport au tantale lors de l’histoire primitive de la Terre. Cette problématique a longtemps été sujette à débat et est connue sous le nom du « paradoxe du niobium ».

Le couple Nb/Ta : témoin des conditions redox des planètes primitives

Les planètes se sont formées dans des conditions de pression d’oxygène (conditions rédox) très variables, et ce sujet est encore mal compris bien que primordial. L’équipe thématique « Terre primitive » de Clermont-Ferrand s’est focalisée sur ce paramètre (la fugacité d’oxygène) afin de comprendre son rôle dans le « paradoxe du niobium ». Les chercheurs ont réalisé une série d’expériences sur la presse multi-enclume (instrument national de l’INSU) afin d’étudier le comportement du Nb et du Ta lors de la séparation noyau – silicate. Les expériences consistent à soumettre un matériel chondritique à des conditions similaires aux conditions des planètes primitives : haute pression, haute température, et pression d’oxygène (conditions rédox) contrôlées et variables. En balayant une large gamme de conditions rédox, les scientifiques ont découvert que la fugacité d’oxygène contrôle totalement le comportement du niobium et du tantale contrairement à ce qui était suggéré avant. Plusieurs études mettaient notamment en avant l’influence de la pression, qui s’est en fait révélée être négligeable. L’équipe montre que Nb et Ta préfèrent entrer dans la phase métal, donc le noyau, en conditions réductrices, mais le deviennent à des fugacités d’oxygène différentes. Ce phénomène induit une grande différence de comportement entre le Nb et le Ta aux conditions rédox supposées des premières étapes de formation de la Terre.

En intégrant leurs données à un modèle, les chercheurs prouvent que le rapport Nb/Ta de la Terre, inférieur à celui des chondrites, ne peut être expliqué qu’en invoquant une accrétion hétérogène, commençant par de petits impacteurs extrêmement réduits (similaires aux chondrites à enstatites) et s’achevant avec de gros impacteurs plus oxydés (similaires aux chondrites ordinaires). Leurs données apportent aussi de nouvelles contraintes à la compréhension du système Terre-Lune, de la planète Mars et de l’astéroïde 4-Vesta.

Source(s): 

Redox control of the fractionation of niobium and tantalum during planetary accretion and core formation. C.Cartier, T.Hammouda, M.Boyet, M.A.Bouhifd and J.L.Devidal. Nature Geoscience, 29 juin 2014 doi:10.1038/ngeo2195.

 

 

Contacts

Camille Cartier, Laboratoire Magmas et Volcans (CNRS/IRD/Clermont 2/UJM)
c [dot] cartier [at] opgc [dot] univ-bpclermont [dot] fr
0473346721

Tahar Hammouda, Laboratoire Magmas et Volcans (CNRS/IRD/Clermont 2/UJM)
T [dot] Hammouda [at] opgc [dot] univ-bpclermont [dot] fr
0473346775

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