De l’oxygène dans le noyau de la Terre

D’après les travaux expérimentaux et de modélisation réalisés par une équipe internationale de chercheurs, la Terre se serait formée par accrétion  et différenciée dans un environnement plus riche en oxygène qu’on ne le pensait, et plus oxydé que ne l’est le manteau actuel.

Cette équipe internationale  comprend des chercheurs de l’Institut de physique du globe de Paris, de l’École polytechnique fédérale de Lausanne, de l’University College London, et du Lawrence Livermore National Laboratory .

L’oxygène manquant aujourd’hui dans le manteau terrestre, aurait été entrainé par le fer en fusion vers le centre du globe, lors de la formation du noyau. Cette étude a été publiée dans la revue PNAS du 6 octobre 2015.

Quelques rappels sur la formation de la Terre

L’accrétion de la Terre il y a 4.55Ga a tout de suite été suivie par une différenciation, c’est à dire une structuration en différentes enveloppes de propriétés physico-chimiques bien distinctes.

L’intérieur de la Terre est constitué de couches superposées, qui se distinguent par leur état solide, liquide…
Comment le savons-nous ?
Les sismologues Mohorovicic (en 1909), Gutenberg(en 1912) et Lehmann (en 1936) ont réussi à déterminer l’état et la densité des couches par l’étude du comportement des ondes sismiques lors des tremblements de Terre (La vitesse de propagation des ondes sismiques est différente selon la densité de la matière).
La variation de la vitesse des ondes sismiques permet donc de distinguer les différentes couches terrestres, en particulier la lithosphère rigide et l’asthénosphère qui l’est moins.
-Voir le lien Ondes sismiques et structure de la terre

terre noyau

La croûte et le manteau supérieur forment un ensemble rigide : la lithosphère (plaque tectonique).
En dessous, l’asthénosphère est une partie du manteau moins rigide sur laquelle glisse la lithosphère.

Le noyau terrestre s’est formé lors de la formation de la Terre par accrétion il y a 4.56 milliards d’années.

Un peu d’histoire:

• 1906 – Découverte du noyau liquide par Oldham
• 1936 – Découverte de la graine par Inge Lehmann
• 1940 – Birch suggère que la graine est solide et
correspond à la solidification du fer
• 1950-51 – Bullen suggère que si la graine est solide
on devrait observer des ondes du type PKJKP
• 1970 – Confirmation de la solidité de la graine par
la mesure de fréquences de modes propres
(Dziewonski et Gilbert)
• 1986 -Découverte de l’anisotropie sismique de la
graine

source Barbara Romanowicz – Cours 2011
-Chaire de Physique de l’Intérieur de la Terre
Collège de Francet

Des précisions sur la composition du noyau de la Terre:

  • Les travaux de Birch sur la composition du noyau terrestre
    Birch a découvert il y a plus de 50 ans que le noyau était plus léger que le fer pur.

BirchLa loi de Birch qui établit une relation entre la densité des roches et la vitesse des ondes sismiques montre que le noyau est moins dense qu’un pur alliage Fe-Ni et doit contenir des éléments légers.
Il démontre en 1952 que le manteau est composé de silicates, le noyau externe, de fer liquide et la graine, de fer cristallin (Birch,1952, JGR).
Il Confirme en 1961 que la densité du noyau est ~10% plus faible que celle du fer aux P et T du noyau

Francis Birch – 1903-1992

  • Quels étaient ces éléments légers entrant dans la composition du noyau ?
    Dans les années 60, Ringwood a montré que le manteau était déficitaire en éléments sidérophiles, c’est-à-dire en éléments chimiques qui aiment s’allier au fer. Il en a déduit que ce déficit était l’empreinte de la formation du noyau sur la géochimie du manteau.
  • Depuis, les scientifiques essaient de trouver les modèles de formation de noyau qui expliquent ces appauvrissements chimiques du manteau.
  1. Lors d’une étude antérieure, cette équipe de chercheurs avait pu calculer (par simulation de dynamique moléculaire ab initio) les densités et vitesses de propagations d’ondes dans le noyau métallique fondu en fonction de sa teneur en éléments légers.
  2. Un nouveau pas vient d’être franchi afin de trouver les conditions de genèse du noyau.
    Des expériences en cellule à enclumes en diamants chauffée par laser ont permis de soumettre un mélange d’un liquide silicaté et d’un liquide métallique (représentatifs respectivement du manteau primitif et du noyau terrestre) aux conditions extrêmes de pressions et températures régnant dans les intérieurs planétaires et plus particulièrement dans le manteau terrestre primitif en fusion (océan de magma).
  3. Les analyses réalisées après récupération des échantillons avec les techniques analytiques les plus fines (microscopie à faisceau d’ions focalisés, microscopie à balayage par canon à effet de champs, microsonde haute résolution) ont permis de quantifier le partage des éléments traces sidérophiles entre métal et silicate. Le noyau contiendrait donc en plus du fer et du nickel, majoritairement de l’oxygène, et du silicium .

Comment le noyau de la Terre s’est-il formé?

En combinant les deux approches et en ne gardant que les modèles de formation et de composition du noyau qui satisfont à la fois la géochimie et la géophysique, les auteurs concluent que le noyau s’est formé à partir d’un « océan de magma », la partie externe du manteau qui était totalement fondue. Cet océan était profond d’environ 1500 km et très chaud (4000 °C), mais surtout plus oxydé que le manteau actuel. Ceci va à l’encontre du modèle accepté à ce jour qui préconise un manteau très réduit.

Les conclusions de cette étude

L’étude conclut que l’oxygène « en trop » se serait dissout dans le noyau, qui contient donc en plus du fer et du nickel, majoritairement de l’oxygène, et du silicium. Un noyau enrichi en oxygène et relativement pauvre en silicium constitue le meilleur candidat pour satisfaire les deux observations géochimiques et géophysiques simultanément.

Conférence de James Badro organisée par le Bureau des longitudes (Académie des Sciences) et le département de géosciences de l’ENS

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source  partielle de l’article: CNRS