Des gaz magmatiques échantillonnés dans une source minérale de l'Eifel (Allemagne) lèvent le voile sur l'origine des éléments volatils terrestres

Lundi, 25 avril 2016

L'eau et les gaz présents sur Terre aujourd'hui, qu'ils soient dans son atmosphère ou dans ses profondeurs, ont une origine encore débattue. De plus, l'atmosphère présente des signes de fuites atmosphériques précoces ou sur le plus long terme. Des scientifiques du CRPG-CNRS et de l’INGV, Palerme, Italie) démontrent à partir de l’analyse des gaz émis dans la région magmatique de l'Eifel (Allemagne) qu'une fraction des éléments volatils contenus dans le manteau a été apportée par des astéroïdes contrairement à l'atmosphère qui, elle, dérive d'une source différente et encore inconnue à ce jour. Les données mettent également en évidence l'influence d'un panache profond du manteau sur le magmatisme régional. Enfin la source des gaz échantillonnés s'est isolée du reste de l'activité géologique du manteau terrestre il y a environ 4,4 milliards d'années.

  • Source "Victoriaquelle" (Allemagne)
  • Intérieur de la source "Victoriaquelle". L'agitation de l'eau est due aux remontées de bulles de dioxyde de carbone. Les gaz sont échantillonnés en plongeant un entonnoir relié à un tube échantillonneur. Des bouteilles en acier inoxydable préalablement pompées collectent le gaz.
  • Le site d'Eifel


L'énigme de l'origine des éléments volatils terrestres


La Terre s'est formée il y a 4.54 milliards d'années environ. De nombreux évènements d'échelle planétaire se sont déroulés depuis, avec notamment la formation du noyau terrestre, la différenciation du manteau, la production de croûtes continentale et océanique et leur recyclage dans le manteau, des apports tardifs d'éléments volatils par des comètes ou des astéroïdes, la fuite de l'atmosphère primitive etc...

Après tant de modifications, l'origine des éléments volatils terrestres (azote, hydrogène (eau), gaz nobles...) demeure énigmatique et il est difficile de déterminer s'ils sont issus du gaz solaire résiduel après la formation du système solaire (la nébuleuse solaire) ou de corps plus ou moins différenciés tels que les astéroïdes qui ont pu heurter la Terre lors de sa formation.

Les gaz nobles, dont le xénon et ses neuf isotopes, sont des éléments chimiquement inertes qui permettent de suivre l'ensemble de ces processus physiques en s'affranchissant des réactions chimiques à l’œuvre dans les différentes enveloppes terrestres (noyau, manteau, croûte, atmosphère).
Le xénon atmosphérique a une composition isotopique très différente de celles du soleil et des astéroïdes et ne peut donc en être issu. De plus il est appauvri en abondance par rapport à ces composantes extraterrestres. L'origine du xénon dans le manteau terrestre est encore plus énigmatique puisque, jusqu'à présent, une importante contamination atmosphérique des échantillons issus du manteau empêchait de remonter précisément à l'origine de ce gaz dans l'intérieur de la Terre.

L'approche expérimentale


Dans l'étude publiée dans la revue Nature, l'équipe a analysé les abondances isotopiques du xénon dans des échantillons de gaz très riche en dioxyde de carbone (99.8 % de CO2) émis dans la région magmatique de l'Eifel (Allemagne) (voir photos 1 & 2). Grâce à des techniques de purification avancées, le xénon (Xe) a pu être totalement séparé du dioxyde de carbone et les abondances de ses différents isotopes ont été mesurées à haute précision grâce à un spectromètre de masse de dernière génération.

Les résultats et leurs implications


Les chercheurs ont pu déterminer d'après les abondances relatives des isotopes légers du xénon que ce gaz noble dans le manteau terrestre a été apporté par des corps similaires aux astéroïdes. Ce résultat est en accord avec celui obtenu pour le krypton du manteau terrestre qui, lui aussi, semble avoir été apporté par des corps similaires. Etant On sait par ailleurs que le Xénon dans l'atmosphère terrestre n'a pas été apporté par des corps astéroïdaux, cette observation suggère qu'au moins deux sources distinctes ont contribué au budget des éléments volatils terrestres.

Dans le gaz magmatique de l'Eifel, l'isotope 129 et les isotopes 131 à 136 du xénon sont en excès par rapport à la composition atmosphérique et à la composante astéroïdale *. Ceci signifie que la source du manteau à l'origine des gaz émis dans la région de l'Eifel s'est isolée de la géodynamique globale il y a environ 4,45 milliards d'année. Cette source a alors pu conserver ces isotopes du xénon produits par des éléments radioactifs pourtant éteints très tôt après le début de l'histoire de la Terre.

A l'aide de calculs numériques, les chercheurs ont pu déterminer avec précision les différentes contributions radioactives. Celles-ci sont en parfait accord avec les résultats précédemment obtenus pour les panaches du manteau remontant à la surface du globe terrestre. Ces panaches, peut-être ancrés dans les profondeurs du manteau terrestre, remontent à travers le manteau terrestre jusqu'à la croûte et sont parfois à l'origine d'édifices volcaniques majeurs tels que le Mauna Loa (Hawaï) ou l'Islande. Ces résultats suggèrent donc qu'un tel panache pourrait avoir influencé le magmatisme de l'Europe Centrale dont la région magmatique de l'Eifel est un témoin. Les diverses contributions radioactives démontrent également la nécessité d'avoir, après isolement du réservoir profond, un apport de corps riches en éléments volatils qui ont enrichi le manteau supérieur. Enfin, ces résultats suggèrent que l'apport de xénon atmopshérique a été postérieur à la formation de la Terre, peut-être lors de bombardements tardifs incluant des comètes.

Note(s): 

* Ces excès sont liés à des décroissances radioactives. Par exemple, le xénon 129 a été produit par décroissance radioactive de l'iode 129, un isotope de coutre période qui était présent quand la Terre s'est formée. Les isotopes 131 à 136 du xénon ont, quant à eux, pu être produits par l'activité radioactive du plutonium 244 ou de l'uranium 238. Cependant, l'iode 129 était déjà complètement désintégré environ 160 millions d'années (Ma) après la formation du système solaire, et le plutonium-244 existait plus après environ 800 Ma d'évolution.

Source(s): 

Chondritic Xenon in the Earth’s mantle. A. Caracausi1,2, G. Avice1, P. Burnard1*, E. Füri1, B. Marty1 Nature, 25 avril 2016 ; doi:10.1038/nature17434
1- Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, (CNRS, Université de Lorraine) Vandoeuvre-lès-Nancy
2- Instituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Palermo,  Italy.
* décédé

Contact(s):
  • Bernard Marty, CRPG (CNRS / Université de Lorraine)
    bmarty [at] crpg [dot] cnrs-nancy [dot] fr, 03 83 59 42 22
  • Guillaume Avice, auparavant CRPG (CNRS / Université de Lorraine), actuellement California Institute of Technology, USA
    gavice [at] caltech [dot] edu, +1 626 535 3967
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