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Du silicium dans le noyau terrestre ?
Caroline Fitoussi
ENS Lyon, Laboratoire de Géologie de Lyon
Accrétion dans le disque protoplanétaire
Des témoins de l‘histoire précoce du système solaire: les chondrites
Non-différenciées DifférenciéesChondrites
Météorites
EnstatiteCarbonéesOrdinaires
Non-différenciées
Différenciées
Chondrites
La structure de la Terre
Région accessible à l‘échantillonnage
67.5% (wt)
32.5% (wt)
- En géochimie, on utilise le concept de boîte.
- Une boîte correspond à un réservoir que l’on peut identifier d’un point de vue géochimique et qui échange une certaine masse avec d’autres réservoirs.
- L’océan, l’atmosphère, le noyau, le manteau, ou encore la croûte d’une planète peuvent être considérées comme des boîtes.
- Une boîte peut être subdivisée en boîtes plus petites si nécessaire: par exemple, la boîte manteau peut contenir les boîtes manteau inférieur et manteau supérieur.
Notion de boîte
- Une boîte est caractérisée par sa masse M et sa concentration Ci en élément i
- Pour traîter le problème de la composition d’un corps différencié, on utilise des équations de bilan de masse en utilisant une loi de conservation de masse de la forme:
CiTerre Globale = Ci
BSE × fBSE + Cinoyau × fnoyau
• Comment déterminer la composition du BSE ?• Quelle composition pour la Terre Globale ?
Note: BSE=Bulk Silicate Earth=Terre Globale Silicatée
Bilan de masse
Péridotite mantellique (Kilbourne Hole)
Détermination de la composition du BSE
Composition du manteau terrestre primitif (BSE)…
O’Neill & Palme 1998
… à partir des péridotites les plus fertiles
O’Neill & Palme 1998
Choix de la composition globale ?
Propriétés géochimiques des éléments
Caractère volatile des éléments
Palme 2000
Palme & O’Neill 2007
Composition du manteau terrestre primitif comparé aux chondritesen éléments réfractaires lithophiles
Mg et Si ne sont pas des éléments réfractaires!
Palme 2000
Jagoutz et al., 1979
Le rapport Mg/Si dans les chondrites
Fractionnements élémentaire et isotopique dans la nébuleuse solaire affectant les compositions des chondrites
Processus dans la nébuleuse solaire: - Evaporation partielle - Condensation partielle
L’évaporation est une réaction entre un gaz et un solide qui se produit si la pression de vapeur est inférieure à la pression de vapeur saturante.
surface
J evapJ cond
solide
Physique de l’évaporation
Dans le vide, on a une « évaporation libre ».
On peut montrer que le flux d’évaporation par unité de surface d’un solide suit la loi suivante:
où mi est la masse de l’élément i, Pi sat la pression de vapeur saturante, T la température, et i le coefficient d’évaporation de
l’espèce i.
Evaporation à partir d’un solide
• Pendant l’évaporation, les isotopes légers sont perdus préférentiellement pour la phase gazeuse.
• La phase solide s’enrichit en isotopes lourds.
Effet cinétique d’une évaporation
La cinétique d’évaporation n’est pas identique pour les différents isotopes. On suppose qu’ils ne différent que par leur masse. Le rapport des flux est égal à :
Fractionnement isotopique associé à l’évaporation
Si on suppose:
- Que les coefficients d’évaporation des isotopes d’un même éléments sont identiques
- Que le rapport des pressions de vapeur saturante pour les deux isotopes est égal au rapport isotopique à la surface du solide, on en déduit:
Ici on considère qu’il n’y a pas de fractionnement à l’équilibre.
Fractionnement isotopique associé à l’évaporation
Fractionnement isotopique associé à l’évaporation
Le rapport isotopique du résidu au cours d’une évaporation libre suit une loi de fractionnement Rayleigh selon:
où R est le rapport isotopique dans le résidu R0 le rapport isotopique initial dans le solide f1 la fraction restante de l’isotope 1 dans le résidu a le facteur de fractionnement cinétique gaz-solide
athéorique=
Wang et al. 2001
Quand on a une réaction inverse, on peut montrer qu’il suffit de changer le coefficient de fractionnement:
Ce qui veut dire que le fractionnement diminue quand on se rapproche de la pression d’équilibre (pression de vapeur saturante).
Effet de la réaction inverse
Fractionnement isotopique associé à l’évaporation
Davis 2003
• Le potassium a trois isotopes (39K, 40K et 41K).
• Il est volatil et lithophile.
• On note
10001//
standard3941
394141
KKKKK ech
Isotopes du K
Fractionnement cinétique prédit vs mesuré
Humayun, 1995
Les compositions isotopiques en K dans les différentes classes de chondrites sont identiques entre elles et à celle de la Terre
Fractionnement élémentaire mais pas de fractionnement isotopique
Evaporation dans un milieu où la pression partielle était élevée
-0.60
-0.55
-0.50
-0.45
-0.40
-0.35
-0.30
0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95
Mg/Si
30 Si
Composition isotopique en Si des chondrites
EC
OC
CC
Fitoussi et al. 2009
Corrélation entre les compositions isotopique et élémentaire
Effet d’un condensation ou d’une évaporation sur les isotopes du Si
On suit la composition des solides:
Évaporation de SiOg
30 S
i
Mg/Si
Chondrite CI
Condensation d’un gazde SiO
-0.60
-0.55
-0.50
-0.45
-0.40
-0.35
-0.30
0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95
Mg/Si
30 Si
Composition isotopique en Si des chondrites
EC
OC
CC
Fitoussi et al. 2009
Condensation d’un gaz de SiO selon:
Mg2SiO4 + SiO(g) + H2O = 2MgSiO3 + H2
Jagoutz et al., 1979
Le rapport Mg/Si dans les échantillons terrestres
Fractionnement isotopique par processus magmatique?
-0.60
-0.55
-0.50
-0.45
-0.40
-0.35
-0.30
-0.25
-0.20
-0.15
-0.10
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00
Mg/Si (wt)
30 Si CC
OC
EC
Moyenne des échantillons terrestres
Pas de fractionnement en Si induit par processus magmatique
Fitoussi et al., 2009
Savage et al. 2010
Jagoutz et al., 1979
Le rapport Mg/Si de la Terre Silicatée est superchondritique!
- Le manteau est hétérogène avec un réservoir caractérisé par un rapport Mg/Si faible.
- La Terre est non-chondritique
Une perte en éléments volatils peut expliquer le rapport Mg/Si élevé de la Terre.
Explications possibles
Composition du manteau terrestre primitif comparé aux CI en éléments lithophiles
Par rapport aux chondrites carbonées, la Terre possède un appauvrissement en éléments volatils
- Le manteau est hétérogène avec un réservoir caractérisé par un rapport Mg/Si faible.
- La Terre est non-chondritique
Une perte en éléments volatils peut expliquer le rapport Mg/Si élevé de la Terre.
- Le silicium est présent dans le noyau terrestre.
Explications possibles
Jagoutz et al., 1979
ChondritesPéridotites
Rapport Mg/Si super-chondritique du manteau terrestre
7% Si dans le noyau ?
De quoi dépend l‘incorporation du Silicium dans le noyau terrestre?
Pendant la ségrégation du noyau, la quantité de silicium dépend de la solubilité du SiDans la phase métal: = f(P, T, fO2)
Malavergne et al., 2004
Du Silicium dans le noyau ?
Oui, si les conditions {P, T, fO2} de formation du noyau ont été telles que le Silicium était sidérophile.
Gessmann et al., 2001
T=2000 à 2200°C
Qu‘en est-il des isotopes du Si ?
Mg228SiO4 + Fe30Si Mg2
30SiO4 + Fe28Siou perovskite ou perovskite
Si dans le noyau manteau enrichi en isotopes lourds
emétal-silicateSi ~ f(T)
• Y a-t-il un fractionnement associé à la ségrégation métal-silicate ?
• Est-ce mesurable?
Haute précision nécessaire pour couvrir une large gamme de T
29 S
i30Si
métal
silicate
Roche totale
Georg et al., Nature, 2007
Premières compositions isotopiques en Si dans les météorites et péridotites
D BSE-CC30 Si=0.2 ‰
-0.40
-0.35
-0.30
-0.25
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
-0.70 -0.60 -0.50 -0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00
30Si
29 Si
Kinetic fractionation lineEquilibrium fractionation lineCC average (Georg et al., 2007)Peridotites average (Georg et al., 2007)CC average (this work)Peridotites average (this work)
DBSE-CC30Si = 0.08 ‰
(Fitoussi et al. 2009)
Implications sur la différence 30SiBSE – 30SiCC = DBSE-CC30Si &
sur les compositions isotopiques absolues
1SD
DBSE-CC30Si = 0.2 ‰
(Georg et al., 2007)
Deuxième jeu de données de compositions isotopiques en Si dans les météorites et péridotites
• Existence d’un fractionnement isotopique positif en Si entre Terre silicatée(BSE) et chondrites.
• Absence de fractionnement isotopique entre BSE et chondrites en:
- Li (Magna et al. 2006)- K (Humayun and Clayton 1995)- Fe (Schoenberg and von Blanckenburg 2006)
30SiBSE – 30SiCC = DBSE-CC30Si > 0
• Existence d’un fractionnement isotopique positif en Si entre Terre silicatée(BSE) et chondrites.
• Absence de fractionnement isotopique entre BSE et chondrites en:
- Li (Magna et al. 2006)- K (Humayun and Clayton 1995)- Fe (Schoenberg and von Blanckenburg 2006)
30SiBSE – 30SiCC = DBSE-CC30Si > 0
Humayun, 1995
Absence de fractionnement isotopique entre BSE et chondrites enLi, K, Fe qui sont plus volatils que Si
DBSE-CC30Si > 0 n’est pas dû à un processus de
volatilisation du Si
Preuve de l’existence de Si dans le noyau terrestre
Modèles de formation de noyau terrestre et D30Si
D30SiBSE-CC = 30Si(BSE) - 30Si (chondrites carbonées)
30GPa, T=3000K, log fO2=IW-2
Fe, Ni7 wt%Si, traces
Modèle de formation du noyau à un stade à hautes P&T
6.3 wt% Fe21.2 wt% Si,
Facteur de fractionnement isotopique en Si entre silicate et métal en fonction de la température
Ziegler et al., 2010,Shahar et al., 2009et 2011
Températures d‘équilibration métal-silicate correspondant aux fractionnements isotopiques mesurés
Modèle à 1 stade lors de la formation du noyau terrestre : Teq métal-silicate ~3000 K (e.g. Corgne et al., 2008)
Georg et al. 2007
Fitoussi et al. 2009
Solidus et liquidus du manteau terrestre (Andrault et al. 2011)
D30SiBSE-CC = 0.2 ‰ océan magmatique froid!
Résumé• Processus nébulaire associé à un fractionnement isotopique en Si dépendant de la masse.
• Pas de fractionnement isotopique du Si associé à la fusion partielle du manteau.
• Mise en évidence de la présence de Si dans le noyau terrestre.
• Le fractionnement isotopique en Si est en accord avec les températures et pressions prescrites par les modè-les de formation du noyau terrestre impliquant des équilibres métal-silicate dans des océans magmatiques profonds.
Un autre choix pour la composition globale de la Terre ?
Clayton 1993
Les isotopes de l‘oxygène
Mais... Si la Terre ressemble aux CC par ses éléments réfractaires lithophiles,qu‘en est-il des isotopes ?
Trinquier et al. 2007
Les isotopes du chrome
Mais... Si la Terre ressemble aux CC par ses éléments réfractaires lithophiles,qu‘en est-il des isotopes ?
Trinquier et al., Science, 2009
Les isotopes du titane
Mais... Si la Terre ressemble aux CC par ses éléments réfractaires lithophiles,qu‘en est-il des isotopes ?
Les isotopes du nickel
Regelous et al. 2008
Mais... Si la Terre ressemble aux CC par ses éléments réfractaires lithophiles,qu‘en est-il des isotopes ?
Qu‘en est-il d‘une Terre Globale = Chondrites à enstatites plutôt que CC ?
=
http://yamato.nipr.ac.jp/AMRC/collection/eh.html
Les chondrites à enstatite
- Météorites indifférenciées
- Se sont formées dans des conditions très réduites:
composition du minéral enstatite
MgS, MnS, CaS.
leur métal contient des pourcents Si
Un des problèmes principaux du modèle de Terre Globale = EC(Javoy et al. 2010)
L‘abondance de Si
Palme & O‘Neill, 2003
La différence en Mg/Si entre EC et BSE ne peut être (seulement) dûe à la présence de Si dans le noyau car il faudrait alors avoir 28wt% Si
dans le noyau terrestre !
Solution proposée par Javoy et al. 2010
Un manteau à deux couches avec un manteau inférieur primitif (caché) de composition différente du manteau supérieur (accessible)
Composition isotopique en silicium des chondrites à enstatite
D30SiBSE-EC = 0.34 ‰
Fitoussi & Bourdon, Science, 2012
Le fractionnement isotopique entre EC et BSE correspond à des températuresd‘équilibre entre métal et silicate pendant la formation du noyau < 1700 K !
A comparer avec Teq métal-silicate ~3000 K (e.g. Corgne et al., 2008)
Température d‘équilibre métal-silicate lors de la formation du noyau terrestre résultant d‘une terre = chondrites à enstatite
Fitoussi & Bourdon, Science, 2012
Effet d‘un processus hors-equilibre lors de la formation du noyau ?
Effet d‘un processus hors-equilibre lors de la formation du noyau ?
Données isotopiques couplées aux abondances terrestres en élémentssidérophiles indiquent que la formation du noyau s‘est faite par équilibre métal-silicate pour au moins 40%. (Rudge et al., 2010).
Les dynamiciens montrent qu‘il est possible de simuler la physique d‘unprocessus de ségrégation d‘une partie du métal par un processus hors équilibre par „core merging“ (Canup 2004, Dahl et Stevenson 2010).
Quel serait l‘effet sur la composition isotopique en Si du manteau terrestre?
Composition isotopique en Si du minéral enstatite séparé d‘Achondrites à enstatite (ou aubrites)
Une composante hors-équilibre n‘augmenterait pas la composition isotopique du Si du BSE
Fitoussi & Bourdon, Science, 2012
Que nous disent les isotopes du Si sur le processus de formation de la Lune ?
Les péridotites sont-elles représentatives du manteau terrestre ?
Si (Lune) = Si (BSE)
Fitoussi & Bourdon, Science, 2012
Simulation dynamique de l’impact qui a formé la Lune
Canup & Asphaug, 2001Un des résultats: plus de 80% de la composition de la Lune vient de celle de l‘impacteur
Wiechert et al., Science, 2001
Similarités Terre-LuneLes isotopes de l‘Oxygène
Clayton & Mayeda, 1996
Similarités Terre-LuneLes isotopes du W
Touboul et al., Nature, 2007
Clayton 1993
Gamme de compositions possibles de l‘impacteur en D17O
= Lune
Trinquier et al. 2007
Gamme de compositions possibles de l‘impacteur en 54Cr
-0.400
-0.350
-0.300
-0.250
-0.200
-0.150
-0.100
-0.050
0.000-0.700 -0.600 -0.500 -0.400 -0.300 -0.200 -0.100 0.000
30Si
29
SiUn processus d‘équilibre a dû exister entre le BSE et le disque protolunaire
après l‘impact géant
30 Si des chondrite
s,
achondrites, & Mars CC
OC
EC
BSE = Moon
Pahlevan & Stevenson, 2007
Modèle d‘équilibre Terre-Lune après l‘impact géant
Conclusions
- Quel que soit le scénario de formation de noyau terrestre envisagé,les chondrites à enstatites ne peuvent pas être les seules briques de la Terre.
- La composition isotopique en Si mesurée dans les échantillons de manteau supérieur terrestre est représentative de la Terre Globale Silicatée.
- Il a existé un processus d‘équilibre entre Terre et Lune au moment de sa formation.