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 687 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