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.
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