Matériaux du Système Solaire: des météorites aux planètes. des
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TUE361: Planétologie Matériaux du Système Solaire: des météorites aux planètes. P. Beck, Laboratoire de Planétologie de Grenoble I L’état initial, et la composition chimique du Système Solaire I.1 Le nuage moléculaire I.2 Composition chimique du nuage I.3 Refroidissement du gaz et les début de la condensation II Les météorites, classification et origine II.1 Comment identifier une météorite II.2 Classification des météorites II.3 La connexion avec les astéroïdes III Les chondrites et le Système Solaire primitif III.1 III.2 III.3 III.4 III.5 Composition chimique des chondrites Minéralogie des chondrites Processus sur le corps parent Les chondrites et la Terre La matière carbonnée IV Les achondrites et la différenciation planétaire IV.1 IV.2 IV.3 IV.4 Classification des achondrites Les météorites de fer Les SNC et la planète Mars Les HED et la différenciation des astéroïdes V De l’accrétion à la différenciation V.1 De la poussière au bloc métrique V.2 Du bloc métrique à la protoplanète V.3 Les moteurs de la différenciation V.4 La formation de la Lune v.5 Le bombardement cataclysmique et l’origine des volatiles V.6 Chronologie de tout ça Première partie: L’état initial et la composition chimique du Système Solaire 1. L’état initial et la composition chimique du Système Solaire 1.1 Le nuage moléculaire 104-105 particules/cm3 1. L’état initial et la composition chimique du Système Solaire 1.2 Composition du nuage Composition chimique du Système Solaire H He O C Ne N Mg Si Fe Al Ca Ni Ar Na Cr Mn 1. L’état initial et la composition chimique du Système Solaire 1.2 Composition chimique du nuage Nucléosynthèse= synthèse des éléments chimiques. 4 grands types d’origine : -big bang : éléments légers, H, D, T, 7Li, 7Be (t=-13.7 Ga) -stellaires: réaction de fusion, capture neutronique (s process) -explosive (supernovae): fusion + P-process -spallation: les rayonnement cosmiques cassent les gros atomes. Composition héritée d’un histoire galactique 1. L’état initial et la composition chimique du Système Solaire 1.2 Composition chimique du Système Solaire Comment la mesure t-on??? Soleil=98 % masse du SS. Z pair +stable qu’impair 1. L’état initial et la composition chimique du Système Solaire 1.3 Refroidissement du gaz et débuts de la condensation Différents matériaux se forment à différents endroits et différents moments Deuxième partie: Les météorites, classification et origine 2. Les météorites, classification et origine 2.0 Introduction 2. Les météorites, classification et origine 2.0 Introduction Flux annuel de météorites 15000 tonnes/ans Surtout des micrométéorites météor/ météorites 2. Les météorites, classification et origine 2.1 Comment reconnaitre/trouver une météorite -on la voit tomber -elle est lourde (chondrite et fer) -croute de fusion -elle est souvent magnétique Pièges: rejets de fonderies, nodules métalliques Une bien jolie croute de fusion 2. Les météorites, classification et origine 2.1 Comment reconnaitre/trouver une météorite Ou est-ce qu’on les trouves plus facilement? Désert froid Désert chaud 2. Les météorites, classification et origine 2.1 Comment reconnaitre/trouver une météorite Collecte de micro-météorite à dome C en antarctique 2. Les météorites, classification et origine 2.2 Classification des météorites Chondrite= il y a des chondres (80 %). corps parent non différencié. Chondre= bille silicatée. Achondrites= pas de chondre (20 %) corps parent différencié 1 cm 1 cm 2. Les météorites, classification et origine 2.2 Classification des météorites Non différencié Différencié 2. Les météorites, classification et origine 2.2 Classification des météorites + fréquentes + primitives + réduites 2. Les météorites, classification et origine 2.2 Classification des météorites 2. Les météorites, classification et origine 2.2 Classification des météorites 18O 16 − 1 O ech 18 δ O = 1000 18 O 16 O ref 17O 16 − 1 O ech 17 δ O = 1000 17 O 16 O ref ∆m17 = 1 ∆m18 = 2 16 16 Tout les processus géologiques sont dépendants de la masse. Ils fractionnent deux fois plus le δ18O que le δ17O. Des échantillons d’un même corps parent évoluent sur une droite de pente 0.5. 2. Les météorites, classification et origine 2.2 Classification des météorites Mars= météorites SNC. 18O 16 − 1 O δ 18O = 1000 18 ech O 16 O ref Des échantillons d’un même corps parent évoluent sur une droite de pente 0.5. Droite de fractionnement de masse. 2. Les météorites, classification et origine 2.2 Classification des météorites Groupes= différents corps parent Evolution sur pente 1: soit apport supernova, soit origine liée à la photochimie de l’O3. 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes On fait l’hypothèse que la trajectoire est une ellipse dont le soleil est un foyer. Les météorites viennent principalement de la ceinture d’astéroïde. 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes Masse totale inférieure à celle de la Lune 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes Sonde les propriétés vibrationnelles du solide. Interaction lumière/champ électrique, donc sensible aux molécules polaires. Etirement symétrique Etirement asymétrique Pliage 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes Soleil Satellite (ou télescope) 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes Profondeur sondée au mieux de 1 mm pour les minéraux: observations très superficielles… Mais on fait avec… 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes 14 classes d’astéroïdes basées sur leur réflectance (A,B,C,D,E,F,G,M,P,Q,R,S,T,V ,’K’) Diversité très supérieure à celle des météorites connues. Effet de la résonnance 3:1 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes L’échantillonnage par les météorites n’est pas représentatif. 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes 2. Les météorites, classification et origine 2.3 Le lien avec les astéroïdes Troisième partie: Les chondrites et le Système Solaire primitif 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.0 Introduction Les chondrites sont des « fossiles » du Système Solaire primitif. Avancées scientifique dépendent de leur apport ex: Allende 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.1 Composition chimique des chondrites Renseignent sur la composition du système solaire. Référence pour l’état initial (reférence pour les spectres de REE). 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.1 Composition chimique des chondrites 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.1 Composition chimique des chondrites Classification de Goldschmitt Métal (noyau) Souffre (atm, noy, silicates) Silicates (manteau, croute) Atmosphère 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites Chondres + Métal/Sulfures 100 µm-3 mm 50 µm-3 mm Moyenne=600 µm Environnement à gravité réduite Matrice < 50 µm + CAI 50 µm- 5 mm Chondrite = Les chondrites + 82 % des météorites 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites Les chondres PO (porphyritique olivine) POP (porphyritique olivine-pyroxene) Des silicates « mafiques » PP (porphyritique pyroxene) 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites [SiO4]4- FAMILLE DES NESOSILICATES Exemple : famille des péridots (olivine), grenats, zircon Olivine (Mg,Fe)2SiO4 Pyroxène (Mg,Fe,Ca)SiO3 FAMILLE DES INOSILICATES EN CHAINE SIMPLE Chaîne de tétraèdres Exemple : famille des pyroxènes 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites Les chondres Formation rapide. Cristallise très vite, cristaux à forme allongées. Cristallisation en apesanteur. 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites Les chondres Comment fabriquer des chondres? -lightning («éclair ») -shock wave -chauffage radiatif -condensation d’un liquide depuis le gaz? 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites Inclusions réfractaire. Minéraux riches en Ca et Al Corindon Al2O3 Hibonite CaAl12O19 Perovskite CaTiO3 Melilite CaAl2SiO7 Spinel MgAlO4 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites Objets formés à chaud. Premiers condensats? Age du système solaire et de la Terre. 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Minéralogie des chondrites Bernatowicz, 2006 Grains présolaires. Diamant (discuté) Graphite SiC 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Minéralogie des chondrites Grains présolaires. Nittler, 2006 Les grains présolaires ont des compositions chimiques uniques, qui témoignent de l’évolution chimique de notre galaxie. 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites LL - métal Le métal L -Fe/Ni alliages -sulfures Plein de phase exotiques H + métal 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.2 Minéralogie des chondrites Les différents ingrédients sont présents dans des proportions différentes. 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Processus sur le corps parent Métamorphisme thermique LL3 3.0 LL4 LL5 LL6 3.9 Métamorphisme croissant Rééquilibration Fe-Métal/silicate Non-équilibré Equilibré 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Processus sur le corps parent Métamorphisme thermique 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Processus sur le corps parent Métamorphisme de choc Pression pouvoir atteindre la centaine de GPa (105 bar) 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Processus sur le corps parent Métamorphisme de choc Ringwoodite P>20 Gpa! 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Processus sur le corps parent Processus de choc 200 m Disruption complète de l’astéroïde: exemple d’Itokawa. Itokawa Type « rubble pile » 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Processus sur le corps parent Altération aqueuse Veines de carbonates dans la chondrite orgueil Image TEM: smectite et serpentine Spherules de magnetite, oxyde de fer T<600 K 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Processus sur le corps parent Altération aqueuse Les chondrites carbonées altérées semblent liées aux astéroïdes de type C (astéroïdes sombre, les plus abondants dans la ceinture) 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.3 Processus sur le corps parent Altération aqueuse Processus sur le corps parent, plus que nébulaire. De l’eau liquide sur les petits corps primitifs? Existe-t-il un lien avec les comètes? 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.4 Les chondrites et la Terre Chimie moyenne de la Terre ~ chimie d’une chondrites. La Terre est formée de chondrites. Sauf peut-être pour l’eau (vernis tardif). ~ 3. Les chondrites et le Système Solaire primitif 3.5 La matière carbonée Orgueil (CI) De la matière organique donne leur couleur sombre aux chondrites carbonées. Kérogène=proche d’un charbon terrestre. Origine débattue: nuage moléculaire? Corps parent? Source du carbone. Quatrième partie: Les achondrites et la différenciation planétaire 4. Les achondrites et la différenciation planétaire 4.0 Introduction 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.1 Classification des achondrites Les achondrites Achondrite= pierreuse, ou ferreuse ou un peu des deux. Achondrite= corps parent différentiée 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.2 Les météorites de fer Les sidérites Figures de widdmanstatten Morceaux de noyau de planétésimaux 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.2 Les météorites de fer Les sidérites Figures d’exsolution. Refroidissement lent. Alliage Fe/Ni (du nickel dans le noyau terrestre?) Fragment du noyau de protoplanète différenciées. 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.3 Les météorites de fer Les pallasites Pallasite. 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.3 Les SNC et la planète Mars 1 mm 1 mm Shergottites (20): - basaltiques = basalte - picritiques = basalte à olivine - lherzolitiques ~ lherzolite Chassignites (2): Dunites Nakhlites (7): Cristaux cumulatifs de pyroxène et d’olivine enrobés dans une mésostase ALH 84001 (1): Orthopyroxènite 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.3 Les SNC et la planète Mars 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.3 Les SNC et la planète Mars Des âges radiométriques jeunes. Terre 1 ? Venus Diamètre relatif au diamètre terrestre De l’atmosphère martienne piégée dans EETA 79001. 0,8 0,6 0,4 ? Mars Mercure Lune 0,2 0 Vesta 4 3 2 1 0 Durée de l’activité volcanique (Ga) D’après Bogard et Johnson (1983). D’après Bogard et Johnson (1983) 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.3 Les SNC et la planète Mars Echantillons extrémement précieux! De la vie? Non. 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.4 Les HED et la différenciation des petits corps Eucrite Howardite Basalte Diogénite Mélange mécanique des 2 Orthopyroxenite 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.4 Les HED et la différenciation des petits corps D=300 km 4-Vesta 4. Les achondrites et la différenciation planètaire 4.4 Les HED et la différenciation des petits corps Vesta Dawn Cinquième partie: De l’accrétion à la différenciation 5. De l’accrétion à la différenciation 5.0 Introduction 5. De l’accrétion à la différenciation 5.1 De la poussière au bloc métrique Quelle force de collage? Force de Van der Vaals Electrostatique Magnétique Dissipation lors de la collision (fusion) Energie de surface Vstick 2(Ε / r ) = Yρ s0.5 Module de Young 5/6 R=1 µm Vstick~5 cm/s R=100 µm Vstick~0.025 cm/s (for quartz) 5. De l’accrétion à la différenciation 5.2 Du bloc métrique à la protoplanète Kokubo et Ida., 2000, Icarus 5. De l’accrétion à la différenciation 5.2 Du bloc métrique à la protoplanète Chambers et al., 2004 5. De l’accrétion à la différenciation 5.2 Du bloc métrique à la protoplanète Stardust encounter wild-2 Zolensky et al., Science 2006 5. De l’accrétion à la différenciation 5.2 Du bloc métrique à la protoplanète Modèle de Shu (1997) 5. De l’accrétion à la différenciation 5.3 Les moteurs de la différenciation Source: -Energie d’accrétion (énergie potentielle de pesanteur donne énergie ²cinétique) -Energie du à la radioactivité Quels éléments? U, K, Th Perte: -Perte de chaleur radiative en surface On n’arrive pas à différentié les petits corps (<1000 km) Comment expliquer le cas de 4-Vesta? 5. De l’accrétion à la différenciation 5.3 Les moteurs de la différenciation 5. De l’accrétion à la différenciation 5.3 Les moteurs de la différenciation 26 Al → 26Mg 26 Al 27 = ??? Al SS T1/ 2 = 700000ans 26 Mg 24 Mg mes Mg = 24 Mg mes 26 Mg + 24 Mg SS 26 26 Mg = ⇔ 24 Mg mes Al −λt e 24 Mg SS 26 27 Al 26 Al −λt Mg + 24 27 e 24 Mg SS Mg mes Al SS 26 Dépend de la phase minérale 26 24 26 Al −λt1 27 e Al SS Mg Mg SS Al −λt2 e 27 Al SS 26 27 Al 24 Mg mes Dépend de la date de formation et du rapport initial 5. De l’accrétion à la différenciation 5.3 Les moteurs de la différenciation 5. De l’accrétion à la différenciation 5.4 La formation de la Lune La Lune est la Terre semble avoir des choses en commun… 5. De l’accrétion à la différenciation 5.4 La formation de la Lune Modèle préféré: -impact rasant sur la Terre par un objet de la taille de Mars. -formation d’un anneau de poussière qui va se réaccréter. 5. De l’accrétion à la différenciation 5.5 Le bombardement tardif et l’accrétion des volatiles 5. De l’accrétion à la différenciation 5.5 Le bombardement tardif et l’accrétion des volatiles Saturne Neptune Jupiter « Modèle de Nice » Uranus Gomes et al. (2005) Nature 5. De l’accrétion à la différenciation 5.5 Le bombardement tardif et l’accrétion des volatiles 5. De l’accrétion à la différenciation 5.5 Le bombardement tardif et m’accrétion des volatiles La Terre se serait acrétée sèche? 5. De l’accrétion à la différenciation 5.4 Le bombardement tardif et l’accrétion des volatiles Dégazage par le magmatisme. Eau issue de l’acrétion initiale. Impact d’astéroïde et de cométes NASA/Deep Impact 5. De l’accrétion à la différenciation 5.5 Le bombardement tardif et l’accrétion des volatiles Eau primitive 50-90% Impact tardif d’astéroïde 10-50% Impact tardif cométaire 0-10 % La valeur initiale du D/H de la Terre est très mal contrainte. Peut-être encore plus basse Avant Après 5. De l’accrétion à la différenciation 5.6 Chronologie Le système Hf/W et la séparation noyau/manteau. Hf est lithophile W est sidérophile Hf →182W T1/ 2 = 8.9Ma 182 Hf 182 Les deux éléments sont fractionnés lors de la séparation du noyau. Evolution différente du rapport isotopique 182Hf/180Hf. W 184 W fort W 182 W 184 W bas 5. De l’accrétion à la différenciation 5.6 Chronologie Chondrites Meteorites de Fer 5. De l’accrétion à la différenciation 5.6 Chronologie Le système 146Sm et 142Nd et la séparation manteau/croute. Sm est moins lithophile que Nd Sm→142Nd T1/ 2 = 103Ma 146 142 Nd bas 144 Nd 142 Nd haut 144 Nd 5. De l’accrétion à la différenciation 5.6 Chronologie Chronologie à haute résolution grâce au radioactivité éteinte. 5. De l’accrétion à la différenciation 5.6 Chronologie Halliday and Kleine, 2006 5. Conclusions Les météorites témoignent des premiers instants du SS. Echantillons fondamentaux pour l’étude du SS primitif. Echanges de matériau entre planète. Rôle dans l’origine de l’eau . Rôle dans la disparition et peut-être dans l’origine de la vie.
