Leçon 5

4,568 Ga
Leçon 5
DE L ’ORIGINE DE LA TERRE
ou
« L ’HADEEN INFERNAL »
QUELLES SONT LES INTERROGATIONS?
Questions choisies:
- quels témoins pour ces époques reculées (les 100 premiers Ma)?
- comment la Terre s ’est-elle formée (accrétion)?
- comment était le Soleil durant cette période?
- comment la Lune s ’est-elle formée?
- comment manteau et noyau se sont-ils séparés?
Plan de la leçon:
- 5.1 la phase T-Tauri (10 Ma)
- 5.2 la phase d ’accrétion (10 Ma)
- 5.3 la différenciation manteau - noyau
- 5.4 la structure interne de la jeune Terre
- 5.5 la formation de la Lune: le choc!!
- 5.6 la cratérisation de la Lune
- 5.7 la géochimie du manteau
5.1 RAPPELS:
LA PHASE T-TAURI (10 Ma)
- évolution pré-séquence principale: la phase T-Tauri
- propriétés du jeune soleil des premiers 60 Ma
- les témoins du nuage pré-solaire
- durée de formation des chondres et des inclusions réfractaires
- les effets du vent solaire
5.1.1
EVOLUTION PRE-SEQUENCE PRINCIPALE
LA PHASE T-TAURI (RAPPEL)
4568,5±0,5 Ma
Voir leçon 4
Dans la littérature l’âge des
inclusions réfractaires va jusqu’à
4568,4 millions d’années suivant les
isotopes utilisés (grains pré-solaires).
107-8yr
5.1.2
LES PROPRIETES DU JEUNE SOLEIL DES PREMIERS 60 Ma
Jet polaire de matière d ’une étoile T-Tauri
10000
2
vent solaire
1000
rayons X
100
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
1
luminosité
10
UV extrêmes
T-Tauri
1
5
10
50 100
Temps (Ma)
500 1000
intensité/intensité actuelle
Luminosité solaire/actuelle
Séquence principale
5.1.3
DUREE DE FORMATION DES CHONDRES ET DES
INCLUSIONS REFRACTAIRES (RAPPEL)
Matériel présolaire (diamant, carbure de silicium) mémoire stellaire
(2000 °C)
Inclusions réfractaires (t > 1500°C)
Chondres (t ~1200°C)
La radioactivité éteinte 26Al-26Mg (demi-vie 720 000 ans) montre que
les inclusions réfractaires et les chondres se sont formés en moins de
3000 000 ans. Les CAI sont plus vieilles que les chondres : 4 à 5 Ma
5.1.4
LES EFFETS DU VENT SOLAIRE (RAPPEL)
Réduction du fer (vent solaire)
Terre
Chondrites à enstatite (H)
Chondrites Ordinaires
•
•
Les plus communes trouvées
sur Terre
olivine, pyroxene, et metal
– H (38%) – beaucoup de Fe
– L (34%) – peu de Fe
– LL (8%) – très peu de Fe
Chondrites
ordinaires
Chondrites
carbonées (CI)
5.2 LE DEBUT DE LA PHASE
D ’ACCRETION (10 Ma)
- la croissance des planètes telluriques
- conséquence: les impacts géants
- petite chronologie des débuts
http://earthsci.terc.edu/content/visualizations/es2501/es2501page01.cfm?chapter_no=visualiz
http://yso.mtk.nao.ac.jp/~kokubo/moon/kit/t0.jpg
ation
5.2.1
LA CROISSANCE DES PLANETES TELLURIQUES.
1 - LES PLANETESIMAUX
les corps astraux (10 km) se
forment assez vite. Ils sont
largement fondus au cœur
par la chaleur dégagée par
la désintégration des
éléments radioactifs à
courte période (26Al, 60Fe).
C’est le cas des corps
parents des chondrites H.
LA FORMATION DES PETITS CORPS ASTRAUX EST RAPIDE (< 3 000 000 ans)
A few tens of mars-sized isolated bodies are expected in the end
of runaway growth.
5.2.2
LA CROISSANCE DES PLANETES TELLURIQUES.
2 - LES IMPACTS GEANTS
•
•
A few tens of mars-sized protoplanets result in a few earth-sized planets (e.g.
Chambers and Wetherill 1998)
But their orbits are eccentric (~0.1-0.2) as compared with the present values (~ 0.01)
5.2.3
PETITE CHRONOLOGIE DES DEBUTS
Objets les plus vieux du système solaire: les inclusions réfractaires (CAI)
Formation du noyau dans les planétésimaux
Formation du noyau de Mars
Formation de quelques chondrules - âge des chondrites
Eucrites de Vesta
0
10
4,568 Ga
20
30
40
50
Ma
4,518 Ga
Vesta
Formation de la Lune
5.3 LA DIFFERENCIATION MANTEAUNOYAU (100 Ma)
- l ’affinité des éléments chimiques
- le noyau de la Terre: 3 scenarios possibles
- la différentiation: séparation du fer
- la formation du noyau
- le chronomètre 182Hf - 182W
- la durée de séparation du noyau de la Terre
5.3.2
LE NOYAU DE LA TERRE: LES 3 SCENARIOS POSSIBLES
Pas cohérent avec les
datations U/Pb
Plus cohérent mais ignore
les effets de ou des
impacts géants
Scénario privilégié mais
controversé maintenant
(Halliday and Wood, 2009,
Science, 325)
5.3.3
LA DIFFERENTIATION: SEPARATION DU FER
• Differentiation is a process where
dense materials sink and less dense
materials rise in the molten interior
• Within the first few ten million years
of the Earth’s formation, the surface
down to a depth of 300 miles became
so hot that iron started to melt. The
molten iron began to sink under its
own weight
• About 1/3 of the molten iron sank to
the center.
• As the iron sank, heating rates
increased and most of the planet
liquefied.
• For a period of time, there was probably an early ocean of
molten rock – a magma ocean more than 600 miles deep.
•We have to research the evidences of its existence.
5.3.4
LA FORMATION DU NOYAU
Océan magmatique Couche D’’ ??
• Differentiation adds mass to a
planet’s core and reduces the
mass in the outer regions.
• Differentiation converted the
Earth from a homogeneous body
to a layered body with internal
structure.
• 90% of the Earth is made up of
4 elements: iron, oxygen, silicon
and magnesium.
• Most of the iron sank to the
core.
•Thus, iron is only the fourth most
abundant element at the surface.
Solid mantle
Hf: hafnium Z = 72
W: tungstène Z = 74
5.3.5
LE CHRONOMETRE 182Hf - 182W
Corps chondritique
Les métaux entraînent W (W est sidérophile). Les silicates
entraînent Hf (Hf est lithoplile). Mais un isotope de Hf est
radiogénique:
182Hf
182Ta
+ β- + v + 0.37 MeV
182Ta
182W + β- + v + 1.814 MeV
182Hf → 182W : demi-vie 8,9 Ma
Corps astral différencié
182Hf
Si la séparation noyau-manteau s’effectue avant que
ne se
désintègre, alors les métaux ont moins de 182W que les silicates.
Le 182W trouvé dans les silicates a été incorporé d ’abord comme
182Hf. Cela n ’a pu se produire que moins de 60 Ma après 4,567
Ga car 182Hf → 182W ayant une demi-vie de 8,9 Ma, il n est plus
détectable après 60 Ma.
Hf
W
5.3.6
LA DUREE DE LA SEPARATION DU NOYAU DE LA TERRE
CHUR
30-40 Ma
CHUR: CHondritic Uniform Reservoir
Le 182W dans les silicates du manteau
s ’ajoute à celui hérité des chondrites.
le noyau s ’est formé tant
qu ’il y avait encore du
182Hf sur Terre soit 30-40 Ma.
Mais l’impact lunaire a
mélangé l’impacteur et la Terre
Accrétion et formation du noyau
sont très rapides. Les noyaux des
planétésimaux sont formés en
500 000 ans après 4,568 Ga
5.4 LA STRUCTURE INTERNE
DE LA JEUNE TERRE
- l ’origine de la chaleur de la Terre
- manteau liquide et manteau solide
- la couche D’’
- le chronomètre 146Sm - 142Nd
- 146Sm - 142Nd: l’océan magmatique généralisé
- la structure interne de la Terre vers 60 Ma
- le champ magnétique terrestre: très tardif
5.4.1
L ’ORIGINE DE LA CHALEUR DE LA TERRE
Four effects contributed to the heating of the Earth:
1 - Accretion – The kinetic energy of the impacts heated the Earth.
2 - Self-Compression – As the Earth grew, the larger mass caused the Earth to contract and heat
up from the work of compression.
3 - Differentiation – The conversion of gravitational potential energy to heat during core formation.
4 - Radioactive Decay – The energy of radioactive decays was absorbed as heat.
1+3+4: au moins 1000°C dans les temps de la formation de la Terre
5.4.2
MANTEAU LIQUIDE ET MANTEAU SOLIDE
Chaleur contre pression:
dans sa partie inférieure, le
manteau ne peut être
fondu. Il est formé de
perovskite [Ca,Fe]SiO3
couche D’’?
Question 1: comment la
couche D’’ s‘est-elle
formée?
Question 2: pendant combien de temps
l’océan magmatique a-t-il existé?
5.4.3
LA COUCHE D’’: UN FOSSILE HADEEN
Pour résoudre le bilan de masse de certains éléments incompatibles, il
faut imaginer la présence d’un réservoir profond isolé: la couche D’’.
1
manteau solide
couche D’’
2
Basal Magma Ocean (Labrosse et al., Nature 2007)
Le manteau solide progresse à la fois vers la surface et vers le noyau
5.4.4
LE CHRONOMETRE 146Sm - 142Nd
Boyet and
Sm: samarium Z = 62
Carlson (2005)
Nd: néodyme Z = 60
demi-vie: 103 ±7
Ma but recently revised to 68±7 Ma (Kinoshita et
al., 2012, Science.
146Sm
plus de 142Nd
142Nd
+ α2+ + v
L’existence du nucléide fils indique que le
nucléide père était présent lors de la
formation des planètes.
A QUOI EST DUE LA TENEUR
PLUS ELEVEE EN 142Nd DES
MAGMAS TERRESTRES?
5.4.5
146Sm - 142Nd: L’OCEAN MAGMATIQUE GENERALISE
Pour que 142Nd se concentre, il
faut deux conditions:
- 1) une fusion généralisée de
la Terre (océan magmatique)
Nd est un élément plus
incompatible que Sm (préfère
le magma aux solides).
- 2) que la fusion se produise
tant que le 146Sm existe encore.
LA SURFACE DES PLANETES
TELLURIQUES A LEUR
NAISSANCE EST FONDUE.
L ’écart de composition entre magmas
terrestres et chondrites place cette fusion
généralisée entre 0 et 30 millions d’années
après la formation du Système Solaire.
5.4.6
LA STRUCTURE INTERNE DE LA TERRE VERS 100 Ma
Océan magmatique généralisé
??
La formation d ’un noyau liquide est terminée après l’impact géant à l’origine de la
Lune (50-100 Ma). Il est possible que le réservoir de fer liquide n’ait pas été au centre
de la planète au début.
5.4.7
LE CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE: TRES TARDIF
Le champ magnétique se forme par le biais des courants
électriques générés par les turbulences dans le noyau liquide.
Premières traces paléomagnétiques : 3.2 Ga soit près de 1.2 Ga
après la formation du noyau.
Il faut s’en souvenir pour l’apparition de la vie ….
5.5 LA FORMATION DE LA LUNE:
LE CHOC!!!
- la formation de la Lune: 4 scenarios
- modèle de l ’impact Theia – Proto-Terre
- dispersion et accrétion des débris
- la Proto-Lune
- datation de l ’impact lunaire: W/Hf roches terrestres
- datation de l ’impact lunaire: W/Hf roches lunaires
- le hiatus avant l’impact géant
5.5.1
LA FORMATION DE LA LUNE: 4 SCENARIOS
δ66Zn et δ68Zn
Scénario cohérent avec les rapports isotopiques du zinc
(Paniello et al., 2012, Nature, 490, 376-380.
5.5.2
MODELE DE L’IMPACT THEIA – PROTO-TERRE
3 modèles possibles
Halliday A.N. (2012) The origin
of the moon. Science, 338,
1040-1041.
Proto-Terre: 0,9 MT
Theia: 0,1 MT
Détermination de l’angle d’impact, de la
vitesse relative des 2 corps planétaires et
de la masse de l’impacteur.
5.5.4
LA PROTO-LUNE
A sa formation, la Lune était très proche de la Terre (25000 km au lieu de
350000 aujourd’hui). Elle exerçait une force de marée intense. La durée du
jour était de moins de 6h avant l’impact. La Lune continue à s ’éloigner de
la Terre. Les mesures par réflexion de laser indiquent une vitesse de 3,8 cm
par an.
5.5.5
DATATION DE L ’IMPACT LUNAIRE:
1 - Le chronomètre W/Hf des roches terrestres
> 42 Ma après l ’origine
4567 – 42 = 4525 Ma
La dernière séparation du tungstène (dans le noyau) et du hafnium (dans
le liquide de l’océan magmatique) est datée par le chronomètre 182Hf
→182W à 42 millions d’années après la formation du Système Solaire.
L’impact lunaire s’est produit après.
Kleine et al. (2005)
5.5.6
DATATION DE L ’IMPACT LUNAIRE:
2 - Le chronomètre W/Hf des roches lunaires
50 à 100 Ma après l ’origine
4568 – (100 ± 50) Ma
Âge des plus anciennes roches lunaires: 4.456 ± 0,40 Ga
W isotopes in lunar samples combined with the age of the oldest known lunar samples
provide an age for the giant Moon-forming impact: 100 ± 50 Ma
Touboul et al. (2007), Nature 450
5.5.7
LE HIATUS AVANT L’IMPACT GEANT
les 100 premiers Ma de la Terre. le scénario B est le plus probable: Accrétion et
formation du noyau ont été rapides avec un hiatus important avant l’impact géant
Halliday and
Wood, 2009,
Science, 325
5.6 LA STRUCTURE DE LA LUNE
- la formation du noyau de la Proto-Lune
- l ’océan magmatique de la Proto-Lune
- la structure interne de la Lune
- la croûte épaisse de la face cachée: un choc avec une 2eme lune
- le mécanisme du choc avec la 2eme lune
- la surface actuelle de la Lune: face visible
- la surface actuelle de la Lune: face cachée
- les missions Apollo
- la cratérisation de la Lune
- le vernis tardif de la Terre
5.6.1
LA FORMATION DU NOYAU DE LA PROTO-LUNE
Time of core formation versus planet radius as deduced from Hf-W systematics.
The Moon plots distinctly to the left of the correlation line defined by Vesta, Mars and Earth
suggesting a different formation process.
Kleine et al., 2002, Nature 418
- océan magmatique?
- 1 ou 2 lunes?
5.6.2
L ’OCEAN MAGMATIQUE DE LA PROTO-LUNE
Séparation par densité:
les plagioclases (plus
légers) ‘flottent”; les
pyroxènes et olivines
(plus denses)“
sombrent”
Comment le sait-on? Les basaltes
formés à l’aplomb des cratères d’impact
météoritique sont différents suivant la
profondeur à laquelle ils sont générés:
- riches en Ti s’ils viennent des
cumulats pyroxéniques
- riches en K, REE et P s’ils viennent
de la transition amorthosite-cumulats
5.6.3
LA STRUCTURE INTERNE DE LA LUNE
5.6.4
LA CROUTE EPAISSE DE LA FACE CACHEE: UN CHOC AVEC
UNE 2eme LUNE
??
La croûte anorthositique
plus épaisse de la face
cachée: résultat de la
collision avec une 2eme
lune.
Jutzi1 & Asphaug N AT U R E 4 ,7 6 ,
69-72 AU G U S T 2 0 1 1
5.6.5
LE MECANISME DU CHOC AVEC LA 2eme LUNE
5.6.6
LA SURFACE ACTUELLE DE LA LUNE: FACE VISIBLE
mare
Copernicus
Tycho
highlands
Face
visible
Highlands: croûte
ancienne
(anorthosite)
Mare: croûte récente (basaltes)
5.6.7
LA SURFACE ACTUELLE DE LA LUNE: FACE CACHEE
Mare orientale
5.6.8
LES MISSIONS APOLLO
Près de 400 kg de roches
lunaires ont été ramenées sur
Terre. Les datations montrent
que la Lune s ’est formée peu
de temps après la Terre.
1999 - Lunar Prospector crashed on
Moon - no water
5.6.9
LA CRATERISATION DE LA LUNE
4.5 - 4.0 Ga - de très gros
impacts forment les bassins
3.5 - 3.0 Ga - les bassins
sont remplis de lave et
forment les MARIA
5.6.10
LE VERNIS TARDIF DE LA TERRE
Décroissance exponentielle
Bombardement tardif vers 3,9 Ga
(durée: 100 à 150 Ma) dû à la migration brutale de Jupiter et Saturne vers
l’extérieur (2eme migration),
3,9 Ga
5.7 GEOCHIMIE DU MANTEAU
PRIMITIF
- les grands réservoirs d ’éléments chimiques
- la composition chimique du manteau supérieur
- manteau dégazé – manteau non dégazé
- comment varie le rapport 4He/3He
- la signature 4He/3He des MORBs et des OIBs
- chondrites CI: la matière primitive?
- le problème du manteau primitif
- les preuves d ’une source de type chondrite
ordinaires (à enstatite): EH
- l’accrétion de chondrites EH
- chronologie des débuts: récapitulatif
5.7.1
LES GRANDS RESERVOIRS D’ELEMENTS CHIMIQUES
Bulk Earth =
0.007 crust + 0.65 mantle + 0.32 core
Croûtes cont & ocean
Chondrites
(EH et CI)
comètes
Manteau
(silicates)
Manteau supérieur
Manteau inférieur
Noyau liquide
Noyau
Fe-Ni
Graine
proto-Terre
Terre
primitive
Terre actuelle
5.7.2
LA COMPOSITION CHIMIQUE DU MANTEAU SUPERIEUR
Des petits morceaux du manteau
supérieur sont amenés à la surface
par certains volcans (enclaves ou
xénolites): cheminées kimberlitiques.
kimberlite
Péridotite
à grenat
Péridotite
à grenat (xénolite)
5.7.3
MANTEAU DEGAZE - MANTEAU NON DEGAZE
4 He
: désintégration 235U, 238U et 232Th , 3He est d ’origine cosmogénique (Big Bang)
Dégazage du manteau inférieur
Dégazage du manteau supérieur
OIBs
4He
MORBs
Manteau dégazé
3He
Manteau non dégazé
5.7.4
MODELE: COMMENT VARIE LE RAPPORT 4He/3He?
manteau supérieur
appauvri:
238U/ 3He élevé
4He/ 3He = 84,700
manteau inférieur
pas appauvri:
4He/ 3He = 22,000
à 55,000
3He
Primitive helium mantle
provient du
manteau non
dégazé.
5.7.5a
REEL: LA SIGNATURE 4He/3He DES MORBs ET DES OIBs
Les MORBs ont une
signature 4He/3He très
homogène (90000) alors
que les OIBs sont
dispersés (13000 –
36000). Mode : 55000.
Mélanges de magmas
(effet Schilling).
1 Ga
Alors! Pourquoi 1 Ga de
différence avec le
modèle?
5.7.5b
L’EXTRACTION DE LA CROÛTE CONTINENTALE
Les OIBs sont dispersés
(13000 – 36000) mais on
explique les pics de
fréquence par les
periodes de croissance de
la croûte continentale. Ils
correspondent à des
periods d’activité
volcanique intense.
5.7.5
CHONDRITES CI: LE MANTEAU PRIMITIF?
A la recherche de la
composition chimique
perdue du manteau primitif
(après séparation du noyau,
avant séparation de la croûte)
Types de météorites chondritiques
C1
H+L
E
C3V
C2
BINGO!!
Hélas! Pas aussi
simple
5.7.6
LE PROBLEME DU MANTEAU PRIMITIF
On pensait que la Terre s ’était formée par accrétion de planétésimaux dont la
composition était celle de la nébuleuse pré-solaire. DONC, LE MANTEAU
TERRESTRE DEVRAIT AVOIR LA MEME COMPOSITION QUE CELLE DES
CHONDRITES PRIMITIVES (TYPE CI) SAUF POUR LES ELEMENTS
VOLATILS ENTRAINES DANS L ’ATMOSPHERE ET POUR LES ELEMENTS
SIDEROPHILES ENTRAINES DANS LE NOYAU.
CE N ’EST PAS LE CAS!
Les chondrites CI ont
- un rapport Mg/Si 20 à 40 fois plus faible que
le manteau,
- la composition isotopique de l ’oxygène est
incompatible avec celui du système Terre-Lune.
ALORS OÙ EST LA SOURCE DE LA
MATIERE PRIMITIVE?
5.7.7
LES PREUVES D’UNE SOURCE DE TYPE CHONDRITES
ORDINAIRES (A ENSTATITE): EH
La composition isotopique des Chondrites
à enstatite est sur la ligne de
fractionnement (ligne Terre-Lune-Mars)
Réduction du fer (vent solaire)
Les Chondrites à enstatite sont proches
de la composition de la Terre.
Terre
Chondrites à enstatite (EH)
Chondrites
carbonées (CI)
5.7.8
L’ACCRETION DE CHONDRITES A ENSTATITE
Javoy (1995-1999) souligne la meilleure concordance des chondrites EH plutôt que CI
avec la géochimie de la Terre:
- état redox de la Terre
- isotopes 18O, 17O et 16O
- fusion partielle du manteau supérieur.
Mais la solution exacte n’est pas encore tout-à-fait là. D’où vient l’eau?
5.7.9
LE PARADOXE DU NIOBIUM
73Ta et 41Nb:
réfractaires et lithophiles
Conditions Terre actuelle
Nb5+ et Ta5+ (configuration classique) se comportent
de manière identique lors des processus
magmatiques (fusion, cristallisation), « jumeaux
géochimiques ».
Cependant le rapport Nb/Ta de la terre silicatée
(manteau + croûte) est nettement inférieur à la
valeur mesurée dans les chondrites, indiquant
qu’un processus a fractionné le niobium par rapport
au tantale lors de l’histoire primitive de la Terre.
Conditions reductrices
Nb et Ta préfèrent entrer dans la phase métal, donc
le noyau, en conditions réductrices, mais à des
fugacités d’oxygène différentes. Donc, grande
différence de comportement entre le Nb et le Ta aux
conditions rédox supposées des premières étapes
de formation de la Terre.
Conséquences
L’accrétion fut hétérogène, Elle commença par de
petits impacteurs extrêmement réduits (similaires
aux chondrites à enstatites) et s’acheva avec de
gros impacteurs plus oxydés (similaires aux
chondrites ordinaires)
Redox control of the fractionation of niob ium and tantalum during planetary accretion and core formation. C.Cartier,
T.Hammouda, M.Boyet, M.A.Bouhifd and J.L.Devidal. Nature Geoscience, 29 juin 2014 doi:10.1038/ngeo2195.
5.7.10
CHRONOLOGIE DES DEBUTS: RECAPITULATIF
HADÉEN ~ 567-700 Ma
Astéroïdes, comètes
~ 10 Ma
4.568 Ga
condensation du disque d'accrétion
Formation du noyau (30-40 Ma)
ACCRETION HIATUS
~4,51 Ga: formation de la Lune
4.40 Ga Océan magmatique cristallisé
~4,40 Ga: eau liquide
~4,40 Ga: croûte continentale?
4
Ga
Limite variable selon les auteurs
3.8 Ga
ARCHÉEN: 4-3.8 Ga - 2.5 Ga
"vernis tardif" 150 Ma
3.90 Ga
Prochaine leçon:
Genèse et évolution de la croûte
primitive
LES PREMIERES CROÛTES OCEANIQUE ET
CONTINENTALE