Transcript Terre

4,567 Ga
Leçon 5
DE L ’ORIGINE DE LA TERRE
ou
« L ’HADEEN INFERNAL »
L’ORIGINE DE LA TERRE: UNE VIEILLE QUESTION
Bishop Ussher proclaimed that
the world was created on
October 23, 4004 B.C. in
The Annals of the World
(1658)
John Lightfoot (1602-1675)
refined this estimate to 9:00
o’clock in the morning
James Ussher (1581-1656)
James HUTTON 1788
« Theory of the Earth »
« The result, therefore, of our
present inquiry is, that we find no
vestige of a beginning, - no
prospect of an end »
Parmi les vestiges que nous
avons découverts, quels sont ceux
qui nous permettent de reconstituer
l ’histoire précoce de la Terre?
- roches les plus vieilles
- mineral le plus vieux
- isotopes radioactifs
LES PRECURSEURS
Pierre Simon LAPLACE
Traité de Mécanique Céleste an VII
Immanual KANT
Universal Natural History 1755
QUELLES SONT LES INTERROGATIONS?
Questions choisies:
- quels témoins pour ces époques reculées (les 100 premiers Ma)?
- comment la Terre s ’est-elle formée (accrétion)?
- comment était le Soleil durant cette période?
- comment la Lune s ’est-elle formée?
- comment manteau et noyau se sont-ils séparés?
Plan de la leçon:
- 5.1 la phase T-Tauri (10 Ma)
- 5.2 la phase d ’accrétion (10 Ma)
- 5.3 la différenciation manteau - noyau
- 5.4 la structure interne de la jeune Terre
- 5.5 la formation de la Lune: le choc!!
- 5.6 la cratérisation de la Lune
- 5.7 la géochimie du manteau
5.1 RAPPELS:
LA PHASE T-TAURI (10 Ma)
- évolution pré-séquence principale: la phase T-Tauri
- propriétés du jeune soleil des premiers 60 Ma
- les témoins du nuage pré-solaire
- durée de formation des chondres et des inclusions réfractaires
- les effets du vent solaire
5.1.1
EVOLUTION PRE-SEQUENCE PRINCIPALE
LA PHASE T-TAURI
0.51320
4,567 Ga (âge Sm/Nd)
/ 144Nd
0.51280
143Nd
0.51300
0.51260
C chondrites
L chondrites
H chondrites
Eucrite
Voir leçon 3
0.51240
0.51220
0.1840
0.1880
0.1920
0.1960
0.2000
147Sm
/ 144Nd
0.2040
0.2080
Dans la littérature l’âge des inclusions réfractaires va jusqu’à 4568,4 millions
d’années suivant les isotopes utilisés (grains pré-solaires).
0.2120
5.1.2
LES PROPRIETES DU JEUNE SOLEIL DES PREMIERS 60 Ma
Jet polaire de matière d ’une étoile T-Tauri
Luminosité solaire/actuelle
2
vent solaire
Séquence
principale
1000
rayons X
100
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
luminosité
10
UV extrêmes
T-Tauri
1
1
5
10
50 100
Temps (Ma)
500 1000
intensité/intensité actuelle
10000
5.1.3
DUREE DE FORMATION DES CHONDRES ET DES
INCLUSIONS REFRACTAIRES
Matériel présolaire (diamant, carbure de silicium) mémoire stellaire
(2000 °C)
Inclusions réfractaires (t > 1500°C)
Chondres (t ~1200°C)
La radioactivité éteinte 26Al-26Mg (demi-vie 720 000 ans) montre que
les inclusions réfractaires et les chondres se sont formés en moins de
3000 000 ans. Les CAI sont plus vieilles que les chondres : 4 à 5 Ma
5.1.4
LES EFFETS DU VENT SOLAIRE
Réduction du fer (vent solaire)
Terre
Chondrites à enstatite (H)
Chondrites Ordinaires
• Les plus communes trouvées
sur Terre
• olivine, pyroxene, et metal
– H (38%) – beaucoup de Fe
– L (34%) – peu de Fe
– LL (8%) – très peu de Fe
Chondrites
carbonées (CI)
5.2 LE DEBUT DE LA PHASE
D ’ACCRETION (10 Ma)
- la croissance des planètes telluriques
- conséquence: les impacts géants
- petite chronologie des débuts
http://yso.mtk.nao.ac.jp/~kokubo/moon/kit/t0.jpg
http://earthsci.terc.edu/content/visualizations/es2501/es2501page01.cfm?chapter_no=visualization
5.2.1
LA CROISSANCE DES PLANETES TELLURIQUES
les corps astraux se
forment assez vite (10 km).
Ils sont largement fondus
au cœur par la chaleur
dégagée par la
désintégration des
éléments radioactifs à
courte période (26Al, 60Fe).
C’est le cas des corps
parents des chondrites H.
accrétion
progressive
accélération brutale
"runaway"
LA FORMATION DES PETITS CORPS ASTRAUX EST RAPIDE (< 3 000 000 ans)
A few tens of mars-sized isolated bodies are expected in the end
of runaway growth.
5.2.2
CONSEQUENCE: LES IMPACTS GEANTS
•
•
A few tens of mars-sized protoplanets result in a few earth-sized planets (e.g.
Chambers and Wetherill 1998)
But their orbits are eccentric (~0.1-0.2) as compared with the present values (~ 0.01)
5.2.3
PETITE CHRONOLOGIE DES DEBUTS
Objets les plus vieux du système solaire: les inclusions réfractaires (CAI)
Formation du noyau dans les planétésimaux
Formation du noyau de Mars
Formation de quelques chondrules - âge des chondrites
Eucrites de Vesta
0
10
20
30
40
50
Ma
4,567 Ga
Formation de la Lune
Vesta
5.3 LA DIFFERENCIATION MANTEAUNOYAU (100 Ma)
- l ’affinité des éléments chimiques
- le noyau de la Terre: 3 scenari possibles
- la différentiation: séparation du fer
- la formation du noyau
- le chronomètre 182Hf - 182W
- la durée de séparation du noyau de la Terre
5.3.1
L ’AFFINITE DES ELEMENTS CHIMIQUES
• Melting a chondrite gives 3 immiscible liquids plus vapor:
Atmophile
H, He, N, Noble gases
Silicate Liquid
Lithophile
Alkalis, Alkaline Earths,
Halogens, B, O, Al, Si, Sc, Ti,
V, Cr, Mn, Y, Zr, Nb,
Lanthanides, Hf, Ta, Th, U
Sulfide Liquid
Chalcophile
Cu, Zn, Ga, Ag, Cd, In, Hg,
Tl, As, S, Sb, Se, Pb, Bi, Te
Siderophile
Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir,
Pt, Mo, Re, Au, C, P, Ge, Sn
Gas Phase
Metallic Liquid
Voir polycopié
Les éléments sidérophiles sont concentrés dans le noyau de la Terre.
Les éléments lithophiles sont concentrés dans le manteau et la croûte.
5.3.2
LE NOYAU DE LA TERRE: LES 3 SCENARI POSSIBLES
SEPARATION INSTANTANEE DU NOYAU A PARTIR D'UNE PLANETE
ENTIEREMENT FORMEE
Pas cohérent avec les
datations U/Pb
FORMATION CONTINUE DU NOYAU ET EQUILIBRE CONTINU IMPACTEUR- MANTEAU
DURANT LA CROISSANCE DE LA PLANETE
Plus cohérent mais ignore
les effets de ou des
impacts géants
MELANGE NOYAU-NOYAU SANS EQUILIBRAGE MATAL-SILICATE DURANT LA
CROISSANCE DE LA PLANETE
Scénario privilégié mais
controversé maintenant
(Halliday and Wood, 2009,
Science, 325)
5.3.3
LA DIFFERENTIATION: SEPARATION DU FER
• Differentiation is a process where
dense materials sink and less dense
materials rise in the molten interior
• Within the first few ten million years
of the Earth’s formation, the surface
down to a depth of 300 miles became
so hot that iron started to melt. The
molten iron began to sink under its
own weight
• About 1/3 of the molten iron sank to
the center.
• As the iron sank, heating rates
increased and most of the planet
liquefied.
• For a period of time, there was probably an early ocean of
molten rock – a magma ocean more than 600 miles deep.
5.3.4
LA FORMATION DU NOYAU
• Differentiation adds mass to a
planet’s core and reduces the mass in
the outer regions.
• Differentiation converted the Earth
from a homogeneous body to a
layered body with internal structure.
• 90% of the Earth is made up of 4
elements: iron, oxygen, silicon and
magnesium.
• Most of the iron sank to the core.
•Thus, iron is only the fourth most
abundant element at the surface.
Solid mantle
Hf: hafnium Z = 72
W: tungstène Z = 74
5.3.5
LE CHRONOMETRE 182Hf - 182W
Corps chondritique
Les métaux entraînent W (W est sidérophile). Les silicates
entraînent Hf (Hf est lithoplile). Mais un isotope de Hf est
radiogénique:
182Ta + β- + v + 0.37 MeV
182Ta 182W + β- + v + 1.814 MeV
182Hf
Corps astral différencié
Si la séparation noyau-manteau s’effectue avant que
ne se
désintègre, alors les métaux ont moins de 182W que les silicates.
Le 182W trouvé dans les silicates a été incorporé d ’abord comme
182Hf. Cela n ’a pu se produire que moins de 60 Ma après 4,567
Ga car 182Hf  182W ayant une demi-vie de 8,9 Ma, il n ’en reste
plus après 60 Ma.
182Hf

w  


182
184


W/ W



W/ W
echantillon
182
184
182
184
W/ W
s tan dard
Hf
W

s tan dard

4
 10

5.3.6
LA DUREE DE LA SEPARATION DU NOYAU DE LA TERRE
CHUR
30 Ma
CHUR: CHondritic Uniform Reservoir
Le 182W dans les silicates du manteau
s ’ajoute à celui hérité des chondrites.
le noyau s ’est formé tant
qu ’il y avait encore du
182Hf sur Terre soit 30 Ma.
Mais l’impact lunaire a
mélangé l’impacteur et la Terre
Accrétion et formation du noyau
sont très rapides. Les noyaux des
planétésimaux sont formés en 500
000 ans après 4,567 Ga
5.4 LA STRUCTURE INTERNE
DE LA JEUNE TERRE
- l ’origine de la chaleur de la Terre
- manteau liquide et manteau solide
- la couche D’’
- le chronomètre 146Sm - 142Nd
- 146Sm - 142Nd: l’océan magmatique généralisé
- la structure interne de la Terre vers 60 Ma
- le champ magnétique terrestre: très tardif
5.4.1
L ’ORIGINE DE LA CHALEUR DE LA TERRE
movieplanet_heating[1].mov
Four effects contributed to the heating of the Earth:
1 - Accretion – The kinetic energy of the impacts heated the Earth.
2 - Self-Compression – As the Earth grew, the larger mass caused the Earth to contract and heat
up from the work of compression.
3 - Differentiation – The conversion of gravitational potential energy to heat during core formation.
4 - Radioactive Decay – The energy of radioactive decays was absorbed as heat.
1+3+4: au moins 1000°C dans les temps de la formation de la Terre
5.4.2
MANTEAU LIQUIDE ET MANTEAU SOLIDE
Chaleur contre pression:
dans sa partie inférieure, le
manteau ne peut être
fondu. Il est formé de
perovskite
couche D’’?
Question 1: comment la
couche D’’ s‘est-elle
formée?
Question 2: pendant combien de temps
l’océan magmatique a-t-il existé?
5.4.3
LA COUCHE D’’
Pour résoudre le bilan de masse de certains éléments incompatibles, il
faut imaginer la présence d’un réservoir profond isolé: la couche D’’
1
manteau solide
couche D’’
2
Basal Magma Ocean (Labrosse et al., Nature 2007)
Le manteau solide progresse à la fois vers la surface et vers le noyau
5.4.4
LE CHRONOMETRE 146Sm - 142Nd
Boyet and
Carlson (2005)
demi-vie: 103 7
Ma but recently revised to 687 Ma (Kinoshita et
al., 2012, Science.
146Sm
plus de 142Nd
Sm: samarium Z = 62
Nd: néodyme Z = 60
142Nd + a2+ + v
L’existence du nucléide fils indique que le
nucléide père était présent lors de la formation
des planètes.
 Nd (T )





142

Nd 
Nd /144Nd
142
Nd /144
échantillon (T )
chondrite(T )

 1 10000

La Jolla Terrestrial Standard
A QUOI EST DUE LA TENEUR
PLUS ELEVEE EN 142Nd DES
MAGMAS TERRESTRES?
5.4.5
146Sm - 142Nd: L’OCEAN MAGMATIQUE GENERALISE
Pour que 142Nd se concentre, il
faut deux conditions:
- 1) une fusion généralisée de
la Terre (océan magmatique)
Nd est un élément plus
incompatible que Sm (préfère
le magma aux solides).
- 2) que la fusion se produise
tant que le 146Sm existe encore.
LA SURFACE DES PLANETES
TELLURIQUES A LEUR
NAISSANCE EST FONDUE.
L ’écart de composition entre magmas
terrestres et chondrites place cette fusion
généralisée entre 0 et 30 millions d’années
après la formation du Système Solaire.
5.4.6
LA STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE VERS 100 Ma
bombardement
météoritique
océan magmatique
mare de fer
manteau solide
proto-noyau
Océan magmatique généralisé
diapir de métal
La formation d ’un noyau liquide est terminée après l’impact géant à l’origine de la
Lune (vers 100 Ma. Il est possible que le réservoir de fer liquide ne soit pas au centre de
la planète.
5.4.7
LE CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE: TRES TARDIF
Le champ
magnétique se
forme dès que la
graine apparait
(noyau solide).
Pas avant 3.2 Ga
soit près de 1.2
Ga après la
formation du
noyau.
Il faut s’en
souvenir pour
l’apparition de la
vie ….
5.5 LA FORMATION DE LA LUNE:
LE CHOC!!!
- la formation de la Lune: 4 scenari
- modèle de l ’impact Theia – Proto-Terre
- dispersion et accrétion des débris
- la Proto-Lune
- datation de l ’impact lunaire: W/Hf roches terrestres
- datation de l ’impact lunaire: W/Hf roches lunaires
- le hiatus avant l’impact géant
- les questions non résolues
5.5.1
LA FORMATION DE LA LUNE: 4 SCENARI
FISSION
CAPTURE
temps
Terre
Terre
lune
ACCRETION
Terre
COLLISION
Terre
d66Zn et d68Zn
Terre
Terre
Scénario cohérent avec les rapports isotopiques du zinc
(Paniello et al., 2012, Nature, 490, 376-380.
5.5.2
MODELE DE L’IMPACT THEIA - PROTOTERRE
3 modèles possibles
Halliday A.N. (2012) The origin
of the moon. Science, 338,
1040-1041.
L’impact vaporise le
manteau. L’atmosphère est
riches en silicates. Le
sodium, très volatile y reste
longtemps.
Détermination de l’angle d’impact, de la
vitesse relative des 2 corps planétaires et
de la masse de l’impacteur.
5.5.3
DISPERSION ET ACCRETION DES DEBRIS
1A
2
1B
3
5.5.4
LA PROTO-LUNE
3
A sa formation, la Lune était très proche de la Terre
(25000 km aulieu de 350000 aujourd’hui). Elle
exerçait une force de marée intense. La durée du jour
était de 6h avant impact. La Lune continue à
s ’éloigner de la Terre. Les mesures par réflexion de
laser indiquent une vitesse de 3,8 cm par an.
5.5.5
DATATION DE L ’IMPACT LUNAIRE:
Le chronomètre W/Hf des roches terrestres
> 42 Ma après l ’origine
4567 – 42 = 4525 Ma
La dernière séparation du tungstène (dans le noyau) et du hafnium (dans
le liquide de l’océan magmatique) est datée par le chronomètre 182Hf
182W à 42 millions d’années après la formation du Système Solaire.
L’impact lunaire s’est produit après.
Kleine et al. (2005)
5.5.6
DATATION DE L ’IMPACT LUNAIRE:
Le chronomètre W/Hf des roches lunaires
50 à 100 Ma après l ’origine
4567 – (100 ± 50) Ma
Âge des plus anciennes roches lunaires: 4.456 ± 0,40 Ga
W isotopes in lunar samples combined with the age of the oldest known lunar samples
provide an age for the giant Moon-forming impact: 100 ± 50 Ma
Touboul et al. (2007), Nature 450
5.5.7
LE HIATUS AVANT L’IMPACT GEANT
les 100 premiers Ma de la Terre. le scénario B est le plus probable: Accrétion et
formation du noyau ont été rapides avec un hiatus important avant l’impact géant
Halliday and
Wood, 2009,
Science, 325
5.5.8
LES QUESTIONS NON RESOLUES
LES COMPOSITIONS ISOTOPIQUES. le scénario de la collision avec un impacteur
de la taille de Mars n’explique pas les compositions isotopique du tungstène et du
silicium. Par ailleurs, il ne permet pas de comprendre le partage des éléments
réfractaires comme le titane. De ce fait, d’autres modèles sont proposés tels que la
collision de deux demi-Terres.
5.6 LA
STRUCTURE DE
LA LUNE
- la formation du noyau de la Proto-Lune
- l ’océan magmatique de la Proto-Lune
- la structure interne de la Lune
- la croûte épaisse de la face cachée: un choc avec une 2eme lune
- le mécanisme du choc avec la 2eme lune
- la surface actuelle de la Lune: face visible
- la surface actuelle de la Lune: face cachée
- les missions Apollo
- la cratérisation de la Lune
- conséquence: le vernis tardif de la Terre
5.6.1
LA FORMATION DU NOYAU DE LA PROTO-LUNE
Time of core formation versus planet
radius as deduced from Hf-W
systematics.
The Moon plots distinctly to the left of
the correlation line defined by Vesta,
Mars and Earth suggesting a different
formation process.
Kleine et al., 2002, Nature 418
1 ou 2 lunes?
5.6.2
L ’OCEAN MAGMATIQUE DE LA PROTO-LUNE
Séparation par densité: les
plagioclases (plus légers)
‘flottent”; les pyroxènes et
olivines (plus denses)“
sombrent”
basaltes riches en Ti
basaltes KREEP
gabbros et anorthosites
Comment le sait-on? Les basaltes formés à
l’aplomb des cratères d’impact météoritique
sont différents suivant la profondeur à laquelle
zone enrichie
ils sont générés:
en incompatibles
- riches en Ti s’ils viennent des cumulats
pyroxéniques
cumulats pyroxéniques
- riches en K, REE et P s’ils viennent de la
transition amorthosite-cumulats
5.6.3
LA STRUCTURE INTERNE DE LA LUNE
5.6.4
LA CROUTE EPAISSE DE LA FACE CACHEE: UN CHOC AVEC
UNE 2eme LUNE
??
La croûte anorthositique
plus épaisse de la face
cachée: résultat de la
collision avec une 2eme
lune.
Jutzi1 & Asphaug N AT U R E 4 ,7 6 ,
69-72 AU G U S T 2 0 1 1
5.6.5
LE MECANISME DU CHOC AVEC LA 2eme LUNE
5.6.6
LA SURFACE ACTUELLE DE LA LUNE: FACE VISIBLE
mare
Copernicus
Tycho
Face visible
highlands
Highlands: croûte ancienne (anorthosite)
Mare: croûte récente (basaltes)
5.6.7
LA SURFACE ACTUELLE DE LA LUNE: FACE
CACHEE
Mare orientale
5.6.8
LES MISSIONS APOLLO
Près de 400 kg de roches
lunaires ont été ramenées sur
Terre. Les datations montrent
que la Lune s ’est formée peu
de temps après la Terre.
1999 - Lunar Prospector crashed on
Moon - no water
taux d'accrétion (g par Ma)
10
observations du taux d'impacts
lunaires (cratères), en fonction
de l'âge des roches lunaires
rapportées par les mission Apollo
22
10 21
10
10
prédiction du taux d'accrétion
des comètes sur la Lune
20
10
10
5.6.9
LA CRATERISATION
DE LA LUNE
19
Régions les plus
anciennes
Nectaris
Imbrium
Imbrium
Apollo 17
Apollo 11
Apollo 15
Apollo 12
18
17
mare
formation
de la Lune
0
500
1000
1500
2000
2500
âge du système solaire (Ma)
4.5 - 4.0 Ga - de très gros impacts forment les bassins
3.5 - 3.0 Ga - les bassins sont remplis de lave et forment les MARIA
5.6.10
CONSEQUENCE: LE VERNIS TARDIF DE LA TERRE
3,9 Ga
Décroissance exponentielle
Bombardement tardif vers 3,9 Ga
(durée: 100 à 150 Ma)
pallasite
5.7 GEOCHIMIE DU
MANTEAU PRIMITIF
- les grands réservoirs d ’éléments chimiques
- la composition chimique du manteau supérieur
- manteau dégazé – manteau non dégazé
- comment varie le rapport 4He/3He
- la signature 4He/3He des MORBs et des OIBs
- chondrites CI: la matière primitive?
- le problème du manteau primitif
- les preuves d ’une source de type chondrite
ordinaires (à enstatite): CE
- l’accrétion de chondrites CE
- chronologie des débuts: récapitulatif
5.7.1
LES GRANDS RESERVOIRS D’ELEMENTS CHIMIQUES
océan magmatique généralisé
panaches
noyau
liquide
Bulk Earth =
0.007 crust + 0.65 mantle + 0.32 core
Croûtes cont & ocean
Chondrites
(EH et CI)
comètes
Manteau
(silicates)
Manteau supérieur
Manteau inférieur
panaches
Noyau liquide
Noyau
Fe-Ni
Graine
proto-Terre
Terre
primitive
Terre actuelle
noyau
liquide
5.7.2
LA COMPOSITION CHIMIQUE DU MANTEAU SUPERIEUR
Des petits morceaux du manteau
supérieur sont amenés à la surface
par certains volcans (enclaves ou
xénolites): cheminées kimberlitiques.
kimberlite
Péridotite
à grenat
Péridotite
à grenat (xénolite)
5.7.3
MANTEAU DEGAZE - MANTEAU NON DEGAZE
4He
: désintégration 235U, 238U et 232Th , 3He est d ’origine cosmogénique (primitive)
Dégazage du manteau inférieur
Dégazage du manteau supérieur
OIBs
MORBs
4He
Manteau dégazé
3He
Manteau non dégazé
5.7.4
COMMENT VARIE LE RAPPORT 4He/3He?
manteau supérieur
appauvri: 238U/3He
élevé
4He/3He = 84,700
manteau inférieur
pas appauvri:
4He/3He = 22,000
à 55,000
3He
Primitive helium mantle
provient du
manteau non
dégazé.
5.7.5
LA SIGNATURE 4He/3He DES MORBs ET DES OIBs
Les MORBs ont
une signature
4He/3He très
homogène (90000)
alors que les OIBs
sont dispersés
(13000 – 36000).
Mode : 55000.
Mélanges de
magmas (effet
Schilling).
5.7.5
CHONDRITES CI: LA MATIERE PRIMITIVE?
1.4
Mg/Si
1.2
1.0
A la recherche de la
fractionnement géochimique composition chimique
perdue du manteau primitif
(après séparation du noyau,
avant séparation de la croûte)
Types de météorites chondritiques
manteau primitif
C3V
C1
0.8
H+L
C2
E
Hélas! Pas aussi
simple
0.6
0.4
fractionnement cosmochimique
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
Al/Si
0.14
5.7.6
LE PROBLEME DU MANTEAU PRIMITIF
On pensait que la Terre s ’était formée par accrétion de planétésimaux dont la
composition était celle de la nébuleuse pré-solaire. DONC, LE MANTEAU
TERRESTRE DEVRAIT AVOIR LA MEME COMPOSITION QUE CELLE DES
CHONDRITES PRIMITIVES (TYPE CI) SAUF POUR LES ELEMENTS
VOLATILS ENTRAINES DANS L ’ATMOSPHERE ET POUR LES ELEMENTS
SIDEROPHILES ENTRAINES DANS LE NOYAU.
CE N ’EST PAS LE CAS!
Les chondrites CI ont
- un rapport Mg/Si 20 à 40 fois plus faible que
le manteau,
- la composition isotopique de l ’oxygène est
incompatible avec celui du système Terre-Lune.
ALORS OÙ EST LA SOURCE DE LA
MATIERE PRIMITIVE?
5.7.7
LES PREUVES D’UNE SOURCE DE TYPE CHONDRITES
ORDINAIRES (A ENSTATITE): CE
La composition isotopique des Chondrites
à enstatite est sur la ligne de
fractionnement (ligne Terre-Lune-Mars)
Réduction du fer (vent solaire)
Les Chondrites à enstatite sont proches
de la composition de la Terre.
Terre
Chondrites à enstatite (H)
Chondrites
carbonées (CI)
5.7.8
L’ACCRETION DE CHONDRITES A ENSTATITE
Javoy (1995-1999) souligne la meilleure concordance des chondrites CE plutôt que CI
avec la géochimie de la Terre:
- état redox de la Terre
- isotopes 18O, 17O et 16O
- fusion partielle du manteau supérieur.
5.7.9
CHRONOLOGIE DES DEBUTS: RECAPITULATIF
HADÉEN ~ 567-700 Ma
Astéroïdes, comètes
~ 10 Ma
4.567 Ga
condensation du disque d'accrétion
ACCRETION HIATUS
~4,5 Ma: formation de la Lune
4.47 Ga
formation de la Terre achevée
noyau séparé du manteau (100 Ma)
4 Ga
Limite variable selon les auteurs
3.8 Ga
ARCHÉEN: 4-3.8 Ga - 2.5 Ga
"vernis tardif" 150 Ma
3.90 Ga
Prochaine leçon:
Genèse et évolution de la croûte
primitive
LES PREMIERES CROUTES OCEANIQUE ET
CONTINENTALE
4.7.4
COMMENT CALCULER LA COMPOSITION DU MANTEAU
PRIMITIF? L ’ANALYSE DES GAZ NOBLES
manteau supérieur
appauvri en U et Th:
4He/3He = 84,700
manteau inférieur
pas appauvri:
4He/3He = 22,000
à 55,000
3He
provient du
manteau non
dégazé.
Garnet-peridotite in kimberlite
time
Formation of different silicate reservoirs
Magma ocean crystallization
~4.5+ Ga
Two separated reservoirs
“Whole mantle convection”
Today
Schematic Earth’s Mantle Evolution
A Schematic Compositional CrossSection of the Silicate Earth
Mass Fraction
Continental Crust
0.45%
30-70%
70-30%
Mantle Source of
Oceanic Crust
Primitive,
Undifferentiated,
“Chondritic”
Mantle
Boyet and Carlson, submitted
Core Formation: When?
• We can distinguish whether (a) impact and short-lived nuclides or (b) long-lived
radionuclides raised T to melting and allowed core formation by determining how
quickly it occurred
• Moon postdates core formation and age of moon is no more than ~60 Ma
after formation of meteorites; moon formation is part of earth accretion
• 182Hf-182W (extinct siderophile-lithophile pair): Earth and moon are not
chondritic, so core formation ≤ 30 Ma after iron meteorite formation
• Xe isotopes requires that accretion completed 50-70 Ma after meteorites
• Pb segregation into core or by volatile loss altered U/Pb ratio of mantle
affecting subsequent evolution of Pb isotopes; implies t < 100 Ma
• Conclusion: Core formation before the end of accretion, too late for short-lived
nuclide heating, too fast for long-lived nuclide heating…impact driven
formation of irons and achondrites
age of moon
formation of chondrites
4.55 Ga
end of earth accretion
4.50
permissible range of core formation times
4.45
formation of irons and achondrites
age of moon
formation of chondrites
4.55 Ga
end of earth accretion
4.50
permissible range of core formation times
4.45
Parman, Nature, 2007
4.7.4
UN EXEMPLE DU CALCUL: LA PYROLITE
SiO2
MgO
Fe2O3
FeO
Al2O3
CaO
Na2O
Cr2O3
MnO
P2O5
K2O
TiO2
NiO
pyrolite
lherzolite
45.76
45.43
37.23
30.31
0
5.15 Un exemple de calcul de la
8.43
7.44 composition du manteau
4.46
4.39 primitif: la pyrolite de
3.60
5.68 Ringwood (1966). Comparez
avec la composition d ’une
0.61
0.59 roche actuelle provenant du
0.43
manteau supérieur: la
0.14
0.17 lherzolite.
0.015
0.12
0.029
0.27
0.21
0.45
0.241 Pyrolite: plus de Mg et Fe, moins de Ca,K
Fractionation in terrestrial magma
ocean
• The idea (e.g.Agee and
Walker, 1988) comes from
the observation that the
Earth’s upper mantle is
compositionally like CI
chondritic meteorites except
it is low in Si/Mg meaning it
has a higher ratio of olivine
to enstatite (or perovskite).
Fractional crystallisation on the Moon
LA SIGNATURE GEOCHIMIQUE DU VERNIS
TARDIF
Willbold M., Elliott T. & Moorbath S. (2011)
Nature, 477, sept.
Kleine T. (2011) Nature, 477, sept.
4.2.1
LE PRINCIPE DE L’ACCRETION
Trois stades:
- les grains de poussières proches du
plan de symétrie de la nébuleuse
s ’accrètent par collisions à basse vitesse
relative (corps de 1 à 10 km de
diamètre),
- croissance exponentielle (runaway
growth): les corps les plus gros accrètent
la matière de plus en plus rapidement,
- arrêt de la croissance quand la
masse contenue dans l ’anneau proche
est accrétée.
4.4.5
LES ECHANGES THERMIQUES MANTEAU- NOYAU CHAUD
Manteau à 1 ou 2 couches ?
Refroidissement par conduction
Convection quasi-stationnaire
après quelques centaines de Ma
car la température du manteau est
inférieure à celle du noyau
L ’évacuation de la chaleur du cœur
vers la surface entraîne la formation
de cellules de convection. Les
branches ascendantes chaudes
(couleur rouge) partent de
l ’interface noyau-manteau; les
branches descendantes froides
(couleur bleue) injectent les zones
superficielles dans le manteau.
4.6.4
LES CRATERES RECENTS
Tycho
Diamètre 85 km
plancher du cratère à -4700 m de l‘ anneau
pic central 2400 m
age: 100 Ma
4.6.5
QUELQUES ELEMENTS DE LA GEOLOGIE DE LA LUNE
régolite
4.6.3
MARIA: ENORMES IMPACTS VERS
3.1 Ga
3.8 Ga
3.1 Ga
Le manteau fond sous l’impact et la lave remplit le
cratère.
4.6.6
DECOUVERTE DE FAILLES DUES A LA CONTRACTION
Watters et al. (2010) Science, 329.
La Lune s’est contractée par refroidissement de 1
km après la cristallisation de l’océan magmatique
généralisé (vers 3.8 Ga). Plus surprenant, sa
contraction a continué jusqu’à des époques
récentes comme le montrent ces failles
(diminution du rayon de 100m).
La Lune ne possède pas de champ magnétique global comme
celui généré par le noyau de la Terre. Pourtant, les satellites ont
détecté de fortes anomalies magnétiques d’origine crustale.
Dans une étude publiée le 9 mars dans la revue Science, des
chercheurs de l'Institut de Physique du Globe de Paris (CNRS,
Université Paris Diderot), du Massachusetts Institute of
Technology, et de Harvard University montrent que la plupart
de ces anomalies sont probablement liées à des matériaux
hautement magnétiques issus de l'astéroïde qui a créé le plus
grand cratère à la surface de la Lune.
Wieczorek, M. A.1, B. P. Weiss2, and S. T. Stewart3 (2012).
An impactor origin for lunar magnetic anomalies, Science, doi:10
4.6.10
LA SIGNATURE GEOCHIMIQUE DU VERNIS TARDIF
Kleine T. (2011) Nature, 477, sept.
Willbold M., Elliott T. & Moorbath S. (2011) Nature, 477, sept.
Lutetia, qui mesure environ 100
kilomètres de diamètre, a pu être
éjecté du Système solaire
l'astéroïde correspond aux
interne primordial s'il est passé à
météorites à enstatite que l'on
proximité d'une des planètes
suppose s'être formées dans le
rocheuses et a eu de ce fait son
Système solaire interne.
orbite considérablement
Lutetia a dû, à un certain
modifiée[6]. Une rencontre avec
moment, se déplacer vers son
la jeune planète Jupiter au cours
emplacement actuel dans la
de sa migration vers son orbite
ceinture principale
actuelle pourrait aussi avoir joué
d'astéroïdes entre Mars et
un rôle dans la modification
Jupiter.
considérable de l'orbite de
Lutetia[7].
Image de l'astéroïde Lutetia prise par la sonde Rosetta de l'ESA lors de
son approche à environ 100 km de distance de l'astéroïde.© ESA 2010
MPS for OSIRIS Team
MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA
Proto
core
Solid
mantle