La Terre et le système solaire

Voyage au centre de la Terre : à la découverte de
l’invisible
Géologue CNRS département INSU: SU Sciences de L’Univers
Science de la Terre et de l’Univers = sciences expérimentales
Expériences difficiles Problèmes échelles très grandes espace 105m
temps 1013s non reproductibles expérimentalement.
Observation nous renseigne sur des expériences déjà conduites par la
nature.’ Le présent est la clef du passé’ « Hutton » : Uniformitarisme
la nature des lois ne changent pas mais la vitesse et l’intensité des
processus peuvent changer.
IMPOSSIBLE de « voir « à travers la matière condensée sur grande
échelle de profondeur
XIXème siècle : De la Terre à la Lune, Vingt Mille Lieues sous les mers
Jules Vernes Le Voyage au centre de la Terre
XXème siècle
: On a
marché sur la Lune, touché le fond des océans,
on n’a pas pu voyager au centre de la Terre
XXIème siècle
: On marchera sur Mars avant de toucher le noyau de la Terre
Des observations
Des mesures
Des objets
La Terre : une planète vivante
Anatomie
Chaires minérales
Physiologie
Anatomie
Les dessous de la planète : anatomie de la Terre
Radio, échographie:
on envoie des ondes dans le corps
et on enregistre le signal qui en
ressort
Nous faisons de même avec le sous sol ?
Ligne sismique
Anatomie
Les dessous de la planète : anatomie de la Terre
Chaires minérales
1- la croûte 1.5 % vol-0.5% masse
95 % de silicates
•
•
•
•
•
•
•
•
•
11 éléments
chimiques
composent 99,5% de
la masse de la
lithosphère
O 46,6%
Si 27,7%
Al 8,13%
Fe 5,0%
Ca 3,63%
Na 2,83%
K 2,59%
Mg 2,09%
+ Ti-Mn-P
Quartz
SiO2
Feldspath
(K,Na) Al SI3O8
Mica
K(Mg,Fe)3 AlSi3O10(OH)2
+ grande géodiversité du syst. Solaire
+ de 4000 minéraux
Benitoïte
Bergenite
Barnesite
BaTiSi3O9
Ca2Ba4[(UO3)2O2(PO4)2]3(H2O)6
Na2V6O16—3(H2O)
Chaires minérales
Manteau 84% vol 67% masse
le Manteau supérieur 30 km -> 200km
5 minéraux : olivine,pyroxène, plagioclase, spinelle, grenat
5 éléments
O 58%
Si16%
Mg20.4%
Fe2.2%
Al1.8%
Ca1.3%
1 roche péridotite
Jusqu’à 40 km : Olivine-Pyroxène-Plagioclase
De 40 à 70-80 km : Olivine-Pyroxène -Spinelle
De 70-80 à 200 km : Olivine-Pyroxène-Grenat
Chaires minérales
Péridotites à spinelle
des roches poinçonnées aux
frontières de plaques
Enclaves dans basaltes
Photo: P. Thomas
Péridotites à grenat + éclogites
ITE
Chaires minérales
EXPERIENCES
Modèle minéralogique : au-delà de 200km
expériences HP-HT en laboratoire
- > 200 km Base du Manteau supérieur
- 400-670 km Manteau / zone de transition
- 670-2900 km Manteau inférieur
suppose la connaissance de la chimie globale de la Terre
=> de ses enveloppes
CHIMIE
au delà de 200km de profondeur on fait appel au ciel
Composition chimique de la Terre
le Soleil : la photosphère et la chronosphère
les météorites
Planètes gazeuses
Planètes telluriques
Nébuleuse d’Orion
Modèle de formation
Système solaire
CHIMIE
METEORITES
METEORITES
Météorites primitives : les chondrites
comme aucune roche sur Terre
billes (chondres) de métal et de silitates
Météorites différentiées : les achondrites
Croûte terrestre et autre grosse planètes
Cœur
de la Terre
METEORITES
Chondrites
Olivine
Plagioclase
Métal
Météorites différenciées
Terre
Cr o
Olivine
Pyroxène
Verre feldspathique
Métal
ûte
SILICATES
Manteau
At
mo
sp
hè
re
Chondrites carbonées
Noyau
Alliage de fer
Moteur de la différenciation : contraste de densité, affinités
chimiques, fusion partielle.
atmosphère
croûte
manteau
noyau
Formation de la Terre
avec de chondrites
Terre différenciée
CHIMIE
atmosphère
Chondrites = Terre
globale (TG)
atmosphère
croûte
Manteau
Primitif (MP)
Manteau
Noyau (N)
Noyau
Terre primitive
Terre différenciée
Moteur de la différenciation : contraste de densité, affinités
chimiques, fusion partielle.
On connaît la minéralogie de la Terre jusqu’à 200 km de profondeur
la chimie globale jusqu’à 2900km
Péridotite : olivine pyroxène grenat
On soumet ces roches et ces minéraux aux conditions de
pressions et de températures qui règnent à grande profondeur,
on établit leurs domaines de stabilités, on mesure leurs
propriétés élastiques (µ,ρ,K …)
0
0
100
2000
150
3000
200
4000
250
5000
300
6000
350
800 160024003200400048005600
TEMPERATURE (K)
Pression (km)
50
1000
Profondeur (km)
EXPERIENCES
La minéralogie du manteau profond
EXPERIENCES
La cellule à enclumes de diamant
Le principe de l’appareil
Le minéral à étudier est placé entre deux diamants gemmes dans un trou
(environ 200 µm de diamètre) percé dans un joint métallique. Une fois
l'échantillon et des éclats de rubis en place, on rempli le reste du trou
avec un milieu transmetteur de pression (liquides organiques, gaz rares,
solides mous) et l'on comprime l'ensemble entre les deux diamants.
L’augmentation de la pression est induite par la réduction du volume du
trou
EXPERIENCES
La cellule à enclumes de diamant
Mesurer la pression en cellule
diamant
Les éclats de rubis servent à mesurer la
pression. Ces derniers émettent une
fluorescence quand ils sont éclairés par
un faisceau laser. Les raies de
fluorescence se décalent avec la
pression. Ce décalage est calibré en
fonction de la pression.
EXPERIENCES
Chauffer un échantillon dans une cellule diamant
L'échantillon sous pression est chauffé par des fours résistifs entourant les
diamants (pour des températures inférieures à 1500 K)) ou par focalisation
du faisceau d'un laser IR de puissance (YAG ou CO2) pour atteindre des
températures de l'ordre de 4000 K.
Chauffage par four
Un microfour fait d'un bobinage de fil résistif
entoure les diamants. La transformation du
diamant en graphite limite la température à
environ 1500 K. Avec des montages particuliers
(enceintes à atmosphères controlées ou des
joints chauffants) on peut atteindre des
températures plus élevées de l'ordre de 2000
K. La température est mesurée par un
thermocouple situé au contact des diamants.
Chauffage laser
Le diamant est transparent à une grande partie
du spectre électromagnétique. Il l'est en
particulier dans le domaine de la lumière
infrarouge (IR), ce qui permet de focaliser sur
des échantillons comprimés des faisceaux de
laser de puissance IR. La plupart des oxydes ou
métaux absorbent en revanche la lumière IR et
s'échauffent. Cette technique permet donc de
chauffer à plusieurs milliers de degré les
échantillons sans trop échauffer les diamants.
La température est déduite de l'analyse de la
lumière émise par l’échantillon chauffé.
EXPERIENCES
Structure de l’olivine
Les atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 isolés
(en bleu). Les atomes de Mg et de Fe en vert occupent le
centre d ’ octaèdres MgO6 FeO6 (en vert) ayant en
commun des arêtes.
Maille élémentaire de α-Mg2SiO4 : orthorhombique
a=4.75 Å ; b=10.20 Å ; c=5.98 Å, α=90°, β=90°, γ=90°
Structure de la phase β
Les atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 (en bleu). Les
tétraèdres sont regroupés par deux en partageant un sommet
pour former des groupements Si2O7. Les atomes de Mg et de Fe
en jaune occupent le centre d’octaèdres MgO6 FeO6 (en vert)
Maille élémentaire de β- Mg2SiO4 : orthorhombique
a=5.6921 Å ; b=11.460 Å ; c=8.253 Å, α=90°, β=90°, γ=90°
Structure de la phase γ
Les atomes de Si sont au centre de tétraèdres SiO4 isolés (en
bleu). Les atomes de Mg et de Fe en bleu occupent le centre
d’octaèdres MgO6 ou FeO6 ( en vert).
Maille élémentaire de γ- Mg2SiO4 : cubique
a=8.0709 Å, α=90°, β=90°, γ=90°
EXPERIENCES
Structure de la perovskite
Les atomes de Si sont au centre d’octaèdres SiO6 (en rouge), le Si est
héxacoordonné contrairement aux autres phases où il est
tetracoordonné. Les atomes de Mg et de Fe en vert occupent le centre
d’octaèdres MgO6 et FeO6.
Maille élémentaire de pv- MgSiO3 : orthorhombique
a=4.7754 Å ; b=4.9292 Å ; c=6.8969 Å, α=90°, β=90°, γ=90°
Structure du périclase (MgO) et de la magnésio-wüstite (Mg,Fe)O
La structure est celle de NaCl.
Maille élémentaire de MgO : cubique
EXPERIENCES
Structure de la majorite
EXPERIENCES
Proportion volumique de minéraux
20
40
60
80
Olivine
Pyroxene
Devenir d’une roche type
le long d’un géotherme
Profondeur (km)
200
400
Wadsleyite
Ringwoodite
600
800
Garnet
(Majorite)
Mg-perovskite
Mw
Ca
pv
Le modèle prévoit la minéralogie de 200 à 2900 km
modèle prévoit la minéralogie de 200 à 2900 km
Existe-t- il des archives minérales au delà de 200km
correspondantes
aux associations minérales expérimentales de THP,THT
?
au delà de 200 km de profondeur
pour confirmer ou infirmer les modèles
???
1870 : des diamants dans le désert
Deux roches éclogites et péridotites deux types de diamants
Deux familles de diamants
Diamant éclogitique
Diamant péridotitique
Olivine
Grenat
Pyroxène
Grenat
PERIDOTITE
Grenat pyrope
Pyroxène
Olivine
ECLOGITE
ECHANTILLONS
Echantillons remontés par les kimberlites jusqu’à 700 km de profondeur ?
Des roches
Des diamants et leurs inclusions de la zone de
transition
Diamond
host
Gt Si>3
Gt Si=3
inclusion 1
inclusion 2
CPX
MINERALOGIE
Les inclusions dans les diamants
Une association rare : (Mg,Fe)SiO3 pyroxène et
(Mg,Fe)O
Interprétation : des assemblages minéralogiques du manteau inférieur
nombre
Fe2+/(Fe2++ Mg)
du périclase
(Mg,Fe)O
+ (Mg,Fe)SiO3
2
0.15-0.30
(Mg,Fe)O
+ (Mg,Fe)0.9Al0.2Si0.9O3
1
0.18
(Mg,Fe)O
+ CaSiO3
1
0.19
(Mg,Fe)O
+ (Mg,Fe)3Al2Si3O12
3
0.17-0.3
(Mg,Fe)O
+ SiO2
1
0.3
(Mg,Fe)O
+ (Mg,Fe)3Al2Si3O12
+ (Mg,Fe)0.9Al0.2Si0.9O3
1
0.3
Associations minérales
dans les inclusions
MgO-FeO-SiO2 system in the 24-28 GPa and 1500°C-2000°C range. Po sitive Eu anomalies in
CaSiO3 indicate derivation from subducted plagioclase-bearing rocks.
Fe-rich (Mg,Fe)O inclusions may indicate derivation from the D" layer.
MINERALOGIE
Experiences
Echantillons naturels
Natural sampling
PERIDOTITE
Lithospheric Mantle
0
80 - 2
PYROXENE Ca(Mg,Fe)Si2O6
MAJORITE (Mg,Fe,Ca)3(Al,Si)2Si3O12
CLINOPYROXENE Ca(Mg,Fe)Si2O6
COESITE SiO2
GARNET
(Mg,Fe,Ca)3Al2Si3O12
γ-(Mg,Fe)2SiO4
MAJORITE
(Mg,Fe,Ca)3(Al,Si)2Si3O12
PEROVSKITE
CaSiO3
PEROVSKITES
MAGNESIOWUSTITE
(Mg,Fe)(Si,Al)O3
(Mg,Fe)O
CaSiO3
+/- Aluminous Phases and SiO2
MAJORITE (Mg,Fe,Ca)3(Al,Si)2Si3O12
CLINOPYROXENE Ca(Mg,Fe)Si2O6
STISHOVITE SiO2
+/-CaSiO3-PEROVSKITE
410 km
(Mg,Fe)SiO3-PEROVSKITE
CaSiO3-PEROVSKITE
Al-PHASES
STISHOVITE SiO2
660 km
Lower Mantle
ROCK SAMPLESz
PERIDOTITE
ECLOGITE
DIAMONDS AND INCLUSIONS
POST-PEROVSKITE
(Mg,Fe)(Si,Al)O3
and SiO2
Transition zone
β -(Mg,Fe)2SiO4
0 km
Upper Mantle
OLIVINE (Mg,Fe)2SiO4
20 - 80 km
lithosphere
Continental
Crust
?
D’’ Layer
2900 km
CORE
Gillet et al.
PHYSIOLOGIE
Le manteau terrestre
En résumé
CHALEUR et TEMPERATURE
NOYAU
- du fer liquide avec une graine solide
-assure notre protection en surface