Composition chimique du noyau
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EXPÉRIMENTATION HP – HT : FENÊTRE SUR LE PASSÉ INACCESSIBLE DE LA TERRE Mohamed Ali Bouhifd Laboratoire Magmas et Volcans CNRS – Université Blaise Pascal – Clermont Ferrand Avec la Collaboration : D. Andrault – LMV N. Bolfan-Casanova – LMV A. Boujibar – NASA V. Clési – LMV T. Hammouda - LMV M. Roskosz – UMET Lille (Maintenant à Paris) A.P. Jephcoat – Oxford S.P. Kelley – Open University B. Marty – CRPG Nancy EXPÉRIMENTATION HP – HT : FENÊTRE SUR LE PASSÉ INACCESSIBLE DE LA TERRE Gaillard et al. (Sous Presse) Chemical Geology. Formation du Système Solaire (1) Accumulation de gaz et de poussières dans un disque protoplanétaire – naissance de protoplanètes (dizaine de km) – Premier stade rapide (~ 104 années) (2) Formation d’embryons planétaires d’une taille comprise entre la Lune et Mars – intervalle de temps compris entre 105 et 106 années (3) Embryons planétaires se seraient percutés et agglomérés en planètes de quelques milliers de km – échelle de temps entre 10 et 100 millions d’années Formation de la Lune Canup (2004) Icarus 168: 433-456 La conséquence d’un Impact géant: Fusion globale du manteau terrestre Formation du noyau terrestre Kleine et al. (2009) Geochim. Cosmochim. Acta 73, 5150–5188. Le système Hf – W donne un âge de la formation du noyau terrestre entre 30 et 60 Ma après le début de la formation du système solaire Résultat majeur de la formation du noyau est l’appauvrissement du manteau en éléments sidérophiles Appauvrissement du manteau terrestre en éléments sidérophiles Righter (2003) Annual Rev. Earth Planet. Sci. 31: 135–174 Paradoxe des éléments sidérophiles – Ringwood (1966) Appauvrissement du manteau terrestre en éléments sidérophiles Drake and Righter (2002) Nature 416, 39-44. Intérêt de l’expérimentation à haute pression et haute température Conditions de la fomation du noyau Plan de l’exposé - Quelques techniques de HP – HT - Partage du Ni et Co entre métal et silicate : Implications sur les conditions de formation du noyau terrestre et sa composition chimique - Evolution de la teneur en FeO des planètes - Comportement des éléments volatils lors de la formation du noyau Exemple de C, H, He, … Implications sur les modèles de formation du noyau terrestre, sa composition ainsi que son évolution Différenciation Planétaire Expérimentation à Haute Pression et Haute Température Palier à l’inaccessibilité dans le temps (les premiers centaines de millions d’années) et atteindre la Terre profonde Techniques des Hautes Pressions Presse multi-enclumes au LMV - Instrument National – INSU - Routine : 2 GPa < P < 25 GPa T ~ 2500 K 80 – 100 GPa (Diamants Frittés) Techniques des Hautes Pressions Presse multi-enclumes 2 GPa < P < 25 GPa T ~ 2500 K 80 – 100 GPa (Diamants Frittés) Cellule à enclumes de diamant Pression pouvant atteindre les conditions de la frontière Noyau-Manteau (~ 140 GPa) T ~ 6000 K -- Taille des échantillons -- Principe Presses Multi-enclumes Principe Presses Multi-enclumes Mesures de Pression et de Température Températures sont mesurées directement par des thermocouples qui sont en contact avec les échantillons Mesures de Pression et de Température Pression = Force / surface dépend de la surface de la troncature et la taille de l’octaèdre Mesures de Pression et de Température Calibrants Bi I-II Ba I-II Bi III-V Ba II-III ZnS GaAs GaP Zr ωβ Ptransition (GPa) 2.5 5.6 7.7 14.4 15.6 18.7 22-26 31 Principe Cellule à enclumes en diamants Principe Cellule à enclumes en diamants Principe Cellule à enclumes en diamants Hirose et al. (2013) Annual Rev. Earth Planet. Sci. 41, 657-691. Conditions de formation du noyau terrestre Matériel chondritique (Matériel de départ) Mélange de métal et silicate Peridotite (roche mantellique) ? Dans quelles conditions de P, T, fO2, et des compositions chimiques du silicate et du métal – nous pouvons constituer le manteau terrestre à partir des chondrites ? Conditions de formation du noyau terrestre Graphite Capsule Aux conditions de l’expérience: P, T, fO2, Xmétal, Xsilicate Metal Silicate Méthodes Analytiques Imagerie: Microscope électronique à balayage (MEB) et MEB à effet de champ (FEG) (imagerie fine). Analyse chimique: Microsonde électronique (EPMA). Spectromètre de masse à source plasma couplé à l’ablation laser (LA-ICP-MS). Conditions de formation du noyau terrestre Contraintes via Partage Métal – Silicate du Ni et Co 1- Ni et Co sont deux éléments réfractaires: peu influencés par la volatilité 2- Ni et Co sont divalents dans les silicates liquides à haute pression et haute température 3- Les coefficients de partage métal – silicate du Ni et Co sont peu dépendants des compositions chimiques du silicate et du métal (appropriées lors de la formation du noyau) – forte dépendance en P – faible dépendance en T 4- DNi/DCo ~ 1.1 -- fournissant ainsi une contrainte forte sur les modèles de formation du noyau Conditions de formation du noyau terrestre Contraintes via Partage Métal – Silicate du Ni et Co - Image MEB (électrons rétrodiffusés) Echantillon préparé à 43.8 GPa et 3150 K - Coexistence de deux liquides: Silicate + Métal Conditions de formation du noyau terrestre Contraintes via Partage Métal – Silicate du Ni et Co Bouhifd and Jephcoat (2011) Earth Planet. Sci. Lett. 307, 341-348. fO2 ~ 2 unités log en-dessous du tampon Fe-FeO DNi/DCo ~ 1 Ni et Co sont moins sidérophiles en augmentant la pression Thibault & Walter (1995) Li & Agee (1996, 2001) Gessmann et al. (1999) Chabot et al. (2005) Siebert et al. (2012) Fisher et al. (2015), etc … Large intervalle de pression pour un équilibre Noyau – Manteau Océan magmatique profond – profondeur minimum de 800 km et pouvant atteindre 1800 km Conditions de formation du noyau terrestre Contraintes via Partage Métal – Silicate du Ni et Co Andrault et al. (2011) Earth Planet. Sci. Lett. 304, 251-259. Les expériences de partage métal – silicate ont été effectuées en suivant le liquidus d’une composition chondritique. Modèle de formation continue du noyau En combinant les résultats du Ni, Co, V, Cr, Mn, W et P Wade and Wood (2005) Earth Planet. Sci. Lett. 236, 78-95. IW-4 XFeO = 0.8 wt. % Fugacité d’oxygène, fO2 IW-2 XFeO = 8 wt. % En accord avec les modèles dynamiques de la formation du système solaire – (voir par exemple Morbidelli et al., 2000) Briques Elémentaires de la Terre et des autres planètes ? IW-4 XFeO = 0.8 wt. % Fugacité d’oxygène, fO2 IW-2 XFeO = 8 wt. % Briques Elémentaires de la Terre et des autres planètes ? Boujibar et al. (Under Review) Earth Planet. Sci. Lett. Boujibar et al. (Under Review) Earth Planet. Sci. Lett. Boujibar et al. (Under Review) Earth Planet. Sci. Lett. Composition chimique du noyau Birch (1952) JGR 57, 227-286. Uchida et al. (2001) JGR 106, 21799-21810. “essentiellement du fer …” “avec ~ 10% d’éléments légers ….” Différence de densité de 10% du fer pur par rapport au noyau Présence d’éléments légers dans le noyau de la Terre. Le noyau liquide est plus riche en éléments légers que la graine Composition chimique du noyau Abondances cosmochimiques Candidats possibles: H, C, O, Si, S Composition chimique du noyau - Dans le cadre du Modèle d’océan magmatique profond + Formation continue du noyau - Quels sont les éléments légers qui incorporent la phase métallique? Alliage riche en Fer Eléments Légers ? Vers le Noyau Composition chimique du noyau Bouhifd and Jephcoat (2011) Earth Planet. Sci. Lett. 307, 341-348. Solubilité simultanée d’O et Si dans la phase métallique à HP-HT A la base d’un océan magmatique ~ 3 wt% Si et ~ 4 wt% O dans la phase métallique Composition chimique du noyau Fisher et al. (2015) Geochim. Cosmochim. Acta 167, 177-194. Composition chimique du noyau Fisher et al. (2015) Geochim. Cosmochim. Acta 167, 177-194. Composition chimique du noyau Travail de Thèse Boujibar (2014) Composition chimique du noyau Travail de Thèse Boujibar (2014) Composition chimique du noyau Boujibar et al. (2014) Earth Planet. Sci. Lett. 391, 42-54. Composition chimique du noyau Travail de Thèse Boujibar (2014) 84 wt% Fe - 7 wt% Si - 5 wt% Ni - 2 wt% S - 1 wt% O - ~ 1 wt% C Similaire que la composition du noyau déterminée par Allègre et al. (1995) Earth Planet. Sci. Lett. 134, 515-526. Rubie et al. (2015) Icarus 248, 89-108. Carbone dans le noyau … Hirschmann (2012) Earth Planet. Sci. Lett. Carbone dans le noyau … Malavergne -- Unpublished data - DCmet-Sil diminue avec la Pression. - Présence des éléments légers accentue cette diminution. - DCmet-Sil est de l’ordre de 10 – 20 dans les conditions d’un océan magmatique profond Carbone dans le noyau … Travail de Thèse Clési (en cours) Ce travail Malavergne et al. 2008 10000 Zhang & Yin 2012 Chi et al. 2014 1000 100 10 1 0 10 20 30 Pression (GPa) 40 50 Hydrogène dans le noyau … Ballentine (2002) Science 296, 1247-1248. Sasaki (1990) In Origin of the Earth. Silicates réduits par H2 pour fO2 ≤ IW (formation noyau) H2O/H2 ~ 0.1 rich in H2 and He Concentration en néon dans le manteau correspond à une pression de la nébuleuse de 5 - 10 bar (Marty, 2012) Plusieurs sources pour augmenter la température du manteau primitif (T > Tliquidus) Augmente la dissolution de H, C, N et gaz rares dans les silicates liquides en conditions réduites Dissolution d’une atmosphère primitive riche en H2 et en He dans la proto-Terre partiellement fondue Volatils lors de la formation du noyau Atmosphère Dense – riche en H2 - He - Dans le cadre du Modèle d’un océan magmatique - Noyau peut-il contenir des éléments volatils comme H, N, C, etc … ? Alliage riche en Fer Volatils ? Vers le Noyau Hydrogène dans le noyau … Point de départ: Manque de données expérimentales dans les conditions de formation du noyau Les seules types de données: Solubilité de H dans Fe métal à HP-HT Okuchi (1997) Science 278, 1781-1784. 1200 °C – 7.5 GPa Partage de H entre Fe et ringwoodite Shibazaki et al. (2009) EPSL 287, 463-470. 1000 °C – 20.9 GPa Hydrogène est un élément sidérophile avec DHmétal-silicate ~ 20 PAS LES CONDITIONS D’UN OCEAN MAGMATIQUE Hydrogène dans le noyau … Thèse de Vincent CLESI -- octobre 2013 – septembre 2016 Dans ce travail Partage de l’Hydrogène entre Métal liquide – Silicate fondu - Simulation plus réaliste des conditions d’un océan magmatique - Expériences de partage Chondrite CI + FeNi + 500 ppm < H2O < 1.5 wt% Graphite Capsule Metal Températures entre 2300 et 2500 K Pression jusqu’à 20 GPa Silicate 2000 °C - 10 GPa Analyses chimiques : Microsonde électronique LA-ICP-MS FTIR (H2O dans les silicates) Hydrogène dans le noyau … Clési et al. (Under Review) Geochim. Cosmochim. Acta Même résultats pour Cr, V et Mn. Modèles de formation du noyau ne sont pas affectés par la présence de H2O Hydrogène dans le noyau … Concentrations de H dans la phase métallique: DHmétal/silicate ~ 10-2 - 10-3 Les expériences: P – 5 et 20 GPa T – 2100 °C fO2 ~ IW - 2 Hydrogène n’est pas un constituant majeur du noyau terrestre Au maximum ~ 100 ppm dans le noyau - En accord avec les analyses de l’Hydrogène dans les météorites de fer: -- Defouilloy et al. (2013) Geostandards and Geoanalytical Res. 37, 417-427. Hélium dans le noyau … Exemple de l’Hélium Vert: basaltes de dorsales océaniques – MORB Orange: basaltes des îles océaniques - OIB Source des MORB Manteau supérieur R/RA ~ 7.9 ± 1.0 ≠ R/RA RA : rapport atmosphérique (3He/4He) de 1.4 10-6 Figure modifiée à partir de Ito & Mahoney (2006) Source des OIB Manteau inférieur R/RA ~ 11.6 ± 5.8 Géochimie Expérimentale à Haute Pression Controverses sur la source des OIB Réservoir primitif ? Kurz et al. (1982) – Allègre et al. (1983) Couche D” ? Tolstikhin et al. (2006) Noyau Réservoir non-négligeable pour les gaz rares ? (Davies 1990; Tolstikhin & Marty 1998; Porcelli & Halliday 2001; Trieloff & Kunz 2005) MAIS très peu d’expériences/données pour une modélisation quantitative Les seules données: groupe de Matsuda (début des années 90) Partage Métal-Silicate: He et Xe - 6 GPa ; Ne - 10 GPa Hélium dans le noyau … Matsuda et al. Science (1993) Sudo et al. (1994) Gaz Rares – Coefficients de partage Métal - Silicate Cellule diamant + Chauffage laser Expériences de partage Chondrite CI + FeNi Températures entre 2500 et 3000 K Pression jusqu’à 20 GPa Analyses chimiques des gaz rares: Ablation Laser couplée à un spectromètre de masse pour les gaz rares (Open University – Simon Kelley) Gaz Rares – Coefficients de partage Métal - Silicate Solubilité des gaz rares dans les silicates liquides, alliages riches en fer et partage métal silicate à HP et HT Fer Métal Silicate Les diamètres d’impacts sont réglables entre 10 et 100 µm Métal-Silicate Le volume des échantillons est mesuré par interférométrie Analyse des gaz rares: Ablation Laser + spectromètre pour les gaz rares Gaz Rares – Coefficients de partage Métal - Silicate Solubilité des gaz rares dans les silicates liquides à HP Bouhifd & Jephcoat (2006) Nature 439, 961-964. Chute de la solubilité des gaz rares est un comportement “universel” des silicates liquides à HP Solubilité de l’Ar dans les silicates liquides à HP A basse pression la solubilité de l’Ar dépend essentiellement de la teneur en SiO2 du silicate liquide A haute pression (> 5 GPa) cette corrélation n’est plus valable – indiquant l’importance de la structure des liquides à HP dans la solubilité des gaz rares Solubilité de l’Ar dans les silicates liquides à HP Expériences vs. Simulations Simulations de Dynamique Moléculaire sur une anorthite liquide montrent que Vvoids < VAr (volume partiel de l’Ar) ~ 17-20 GPa Nevins and Spera (1998) Am. Mineral. 83, 1220-1230 Spera et al. (2009) GCA 73, 6918-6936 Solubilité de l’Hélium dans une chondrite CI liquide à HP Résultats Argon: Bouhifd & Jephcoat (2006) Nature 439, 961-964. Résultats Hélium: Bouhifd et al. (2013) Nature Geoscience 6, 982-986. La chute de la solubilité de l’Ar et He intervient à la même pression - structure/compressibilité des liquides à HP a un rôle important ? Solubilité de l’Hélium dans des alliages riches en Fe Bouhifd et al. (2013) Nature Geoscience 6, 982-986. XHe = 3.5 ± 1.5 ppm Hélium – Coefficients de partage métal - silicate Bouhifd et al. (2013) Nature Geoscience 6, 982-986. Résultats sur le partage métal-silicate de l’Uranium: Bouhifd et al. (2013) GCA 114, 13-28. Conclusion: Le noyau est un réservoir bien plausible pour les rapports élevés 3He/4He Partage métal–silicate de l’Hélium: Implications pour le noyau terrestre Atmosphère dense Concentration de l’He dans un océan magmatique: correspond à 120 R/RA - Valeur conservative: 7 × 1012 atomes/g Flux de 3He à partir des OIB : 2.3 × 1025 - 4 × 1026 atomes/année Transfert de la matière du noyau : F/CN 1.5 × 1022 - 6 × 1022 kg au cours des 4.5 milliards d’années Echange de ~ 0.8 – 3% % Masse du noyau (~ 1.96 × 1024 kg) au cours des 4.5 milliards d’années Conclusion: Le noyau est un réservoir bien plausible pour les rapports élevés 3He/4He Interactions Noyau - Manteau Evidence Géochimique Interactions Noyau - Manteau Evidence Géophysique http://garnero.asu.edu/research_images/index.html Les rapports 3He/4He importants coïncident avec les domaines de l’ULZV (zones à très faibles vitesses) Macpherson et al. (1998) Geology 26, 1007-1010. Interactions Noyau - Manteau Evidence à partir des expériences HP-HT Sakai et al. GRL 2006 – Exemple d’une expérience à 139 GPa et 3000 K
