roches et geochime

ROCHES ET GEOCHIME
I : L’univers
1- Le problème de distance
Des unités appropriées à des distances impressionnantes :
 Unité astronomique : 1 u.a = distance Terre-Soleil = 150.10^6 Km
 Année lumière : 1 a.l = 9461.10^9 de Km
 Parsec : 1 parsec = 3.2616 a.l
2- Le problème du temps
Les distances au sein de l’univers créent les décalages temporels.
La lumière et les images qu’elle porte circule qu’à 300.000 Km/s
FAMEUX PARADOXE :
« Regarder loin c’est regarder tôt »
La voûte céleste que l’on observe la nuit est une image d’un passé multiple dont
les limites estimées sont de plus de 15.10^9 années.
Exemple : L’image du soleil met 8 minutes à nous parvenir.
3- Quelques chiffres
UN seul Univers
~20.10^18 étoiles => Soleil
~100.10^9 galaxies => Voie lactée
Amas galactiques => Amas local (~20 galaxies)
Super-amas (plusieurs milliers de galaxies)
Température moyenne de –270 °C
CARACTERISTIQUE DE LA VOIE LACTEE :
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
Diamètre de la galaxie : 90000 a.l
200 milliards d’étoiles
Masse de la galaxie : 10^18 de masse solaire
Longueur de la barre centrale : 25000 a.l
Distance du soleil au centre : 26000 a/l
Epaisseur de la galaxie au niveau du soleil : 2000 a.l
Vitesse du soleil : 220 Km/s
Période de rotation du soleil : 225 millions d’années
4- Un univers en expansion ?
Loi de Hubble (1929) :
Les galaxies s’éloignent les unes des autres et ceci d’autant plus rapidement
qu’elles sont éloignées.
Effet Doppler-Fizeau :
Observation d’un décalage spectral vers le rouge des longueurs d’onde de la
lumière la plus élevée.
Question :
 Expansion en continue d’Univers spatialement infini et ouvert ?
 Expansion suivie de contraction et Univers spatialement fini et fermé
(BIG RUNCH) ?
 Modèles cosmologiques théoriques d’un univers homogène, isotrope,
mais non stationnaire.
5- Un Univers âgé
3 approches pour dater :
 Mouvements des galaxies (loi de Hubble) = 15 – 20 milliards d’années
 Formation stellaire (brillance des étoiles) = 14 – 16 milliards d’années
 Radio-éléments = 15 milliards d’années.
II : La théorie du BIG BANG
1- principes
Expliquer un univers actuel homogène, isotrope et en expansion.
Nécessité de l’existence d’un point espace temps où les galaxies, en expansion,
ne faisaient qu’un dans un passé lointain.
2 POSTULATS
 Un univers « jeune » chaud et dense
 Un univers « actuel » froid et dilaté
2- Définition
UNIVERS ORIGINEL = Corps noir, opaque, isolé thermodynamiquement.
BIG BANG = - Evènement initial brutal générant un milieu très dense et très
chaud, suivi d’une diminution de température et d’une
augmentation de volume.
- Création de matière évoluant dans l’espace et le temps.
3- Preuves
 L’expansion des galaxies et leur éloignement respectif
 Existence de bruit de fond cosmique de l’événement brutal initial =
le rayonnement fossile => longueur d’onde très courte à 7.35 cm
4- Chronologie du BIG BANG
10^-43 seconde
10^-35 seconde
10^-6 seconde
1 seconde
10^6 années
10^9 années
3.10^9 années
8.10^9 années
13.10^9 années
Rayon de l’univers < 50^50 cm et T = 10^32
°C
Rayon de l’univers = quelque cm.
Début de l’inflation
Super expansion
L’univers à la taille de notre système solaire
Arrêt de l’inflation.
T = 10^9 °C
Début de la nucléosynthèse
L’univers est transparent
La matière libère des radiations
Formation des protogalaxies
Détection des quasars et des radiogalaxies
Les galaxies et la voie lactée sont formées
Formation du système solaire
5- Nucléosynthèse et évolution dans l’univers
La nucléosynthèse correspond à la synthèse des éléments chimiques (de leurs
noyaux) au cours de l’évolution de l’Univers à partir du BIG BANG.
L’évolution de l’Univers c’est déroulé en 4 étapes :




Phase cosmique
Phase stellaire
Phase interstellaire
Phase planétaire
LA PHASE COSMIQUE :
- De 0 à 1 seconde
Protons (+1) et neutrons (0) sont issus de la combinaison des quarks.
Présence de 5 familles de particules indépendantes très agitées :
 Protons
 Neutrons
 Electrons
 Photons
 Neutrinos
Pas de noyaux formés, les photons les détruisent.
- A partir d’une seconde jusqu’à 10^6 années
Formation abondante de noyaux d’Hélium et d’Hydrogène.
1 proton => 1 noyau d’H
1 noyau d’H + 1 neutron => 1 noyau de Deutérium
1 noyau de D + 1 noyau de D => 1 noyau d’He
 Période de création nucléaire appelée nucléosynthèse primordiale à base
de fusion nucléaire.
- A partir de 10^6 années
Par capture électronique, formation abondante des atomes d’hydrogènes et
d’héliums.
Augmentation du nombre d’hydrogène et d’hélium, diminution d’électrons.
Création d’un « fluide homogène » de matière.
Sans entrave, la lumière peut circuler dan l’univers.
L’univers devient transparent.
 Domaine des forces électromagnétiques
PHASE STELLAIRE
- Le rôle des forces de gravités
Agrégations gravitationnelles et condensations de matières pour donner
naissance aux protogalaxies.
ETOILES
=
Zones où se condense la matière originelle par gravité et où la température est
très élevée.
=
Réacteur à fusion nucléaire où est transformée la matière.
- Les étoiles
Les étoiles sont classées en fonction de leur température de surface et leur
luminosité.
Une étoile née, croît et meurt.
Au cours de leur existence, les étoiles vont évoluer dans ces domaines de
température et de luminosité.
Au cœur des étoiles où T = 15.10^6 °C , la nucléosynthèse peut reprendre.
 Les étoiles de la branche principale fonctionnent en transformant les
noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium.
 Les étoiles où l’hydrogène devient rare se contractent.
=> Géantes et Supergéantes rouges où l’hélium est transformé en carbone
et en oxygène dans les enveloppes profondes.
 Les étoiles où l’hélium devient rare se contractent.
=> Le carbone et l’oxygène deviennent alors des combustibles stellaires
qui sont transformés en de nouveaux éléments.
 Puis la fusion du néon, de l’oxygène et du Silicium permet la formation
des éléments métalliques et d’éléments plus lourds.
- Les étoiles : deux fins possibles
 Enième contraction stellaire rapide avec très forte augmentation de
température au cœur des étoiles.
Explosion d’étoile mature et libération des éléments lourds formés dans le
vide interstellaire.
 Evolution plus calme.
Libération non brutale des produits de la nucléosynthèse des couches
stellaires externes.
LA PHASE INTERSTELLAIRE
Les poussières interstellaires
Elles remplissent l’espace interstellaire et correspondent aux restes de supernova
et de nébuleuses planétaires portées à quelques °C.
 Nées de la formation d’atomes légers ou lourds puis de molécules par
capture électronique.
 Rôle indispensable de l’hydrogène dans la formation de nombreuses
molécules.
LA PHASE PLANETAIRE
Les planètes
Milieu dense et protecteur, à température modérée.
Structures liées gravitationnellement à une étoile et qui apporte, par son
rayonnement, une partie de l’énergie nécessaire à une température correcte ;
 Conditions nécessaires à l’évolution moléculaires.
III : Système solaire et la Terre
1- La structure du système solaire
Une étoile de la branche principale => Soleil.
4 planètes Telluriques à enveloppe solides.
4 planètes gazeuses à enveloppe gazeuses
Astéroïdes entre Jupiter et Mars (loi de Bode)
2- Origine du système solaire
Soleil et planète cogénétiques nés à partir d’un même nuage de matière
interstellaire, il y a environ 4.6Ga.
ACCRETION PROGRESSIVE
(1) Nébuleuse protosolaire
(2) Planétésimaux
Condensation des gaz et des poussières en corps volumineux.
(3) Formation des planètes.
Il y a un rapport d’abondance de différents atomes et isotopes dans la matière
interstellaire, le soleil et les planètes.
3- Les produits de condensation
Ils se forment en fonction de la température régnant dans la nébuleuse
protosolaire (voir dossier)
4- Les météorites du système solaire
(1) Les Chondrites (80-85%)
Riches en chondres.
Présence d’une matrice cristallisée en Fe, Ni et S.
(2) Les achondrites
- Achondrites basaltiques
- Achondrites pauvres en Ca de Fe
- Achondrites à alliage Fe-Ni ‘sidérites)
Les chondrites = météorites indifférenciées
« Péridotites ferreuses riches en Fe et Ca »
 Composition chimique de la couronne solaire et de la matière
interstellaire
 Age de la condensation de la nébuleuse protosolaire
Les achondrites = météorites différenciées
 Composition chimique différente de la couronne solaire et de la matière
interstellaire.
5- La naissance de la terre
FORMATION DE LA TERRE : durée de 200 Ma
4.6 Ga : Condensation de la nébuleuse protosolaire
4.6 – 4.4 Ga : Création de nombreux planétésimaux (météorites et planétoïdes),
accrétion et différentiation de la Terre bombardée par les
météorites.
4.5 – 4.4 Ga : Différenciation de la Lune
2 modèles d’accrétions pour expliquer la formation de la Terre
ACCRETION HETEROGENE :
 Accrétions successives d’enveloppes de matière interstellaire de
composés chimiques variés.
 Différenciation synchrone à l’accrétion.
 Planète froide
ACCRETION HOMOGENE
 Accrétion successive de matière interstellaire de même composition
chimique.
 Différenciation tardive des enveloppes terrestres internes.
 Dégazage pour former l’atmosphère terrestre primitive.
 Planète chaude