Article INSU : L’oxygène entrainé dans le noyau lors de la formation de la Terre

D’après les travaux expérimentaux et de modélisation réalisés par une équipe internationale de 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 (1), la Terre se serait accrétée et différenciée dans un environnement plus riche en oxygène qu’on ne le pensait, et plus oxydé que ne l’est le manteau actuel. 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.

Vue d’artiste de la Terre à l’Hadéen, il a 4,5 milliards d’années. ©IPGP/J. Dyon

La composition et la formation du noyau, qui sont intimement liées, restent une question ouverte en Sciences de la Terre. En comparant les vitesses de propagation des ondes sismiques dans le noyau terrestre avec les données expérimentales, Birch a découvert il y a plus de 50 ans que le noyau était plus léger que le fer pur. Dès lors, les scientifiques se sont posés la question de savoir quels étaient ces éléments légers entrant dans la composition du noyau et quelles étaient leur quantité. 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.

Lors d’une étude antérieure,  l’équipe avait pu calculer (par simulation de dynamique molécualire ab initio) les densités et vitesses de propagations d’ondes dans le noyau métallique fondu en fonction de sa teneur en éléments légers.

Un nouveau pas est franchi ici en combinant, pour la première fois, les contraintes géophysiques et géochimiques 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). 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.

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. 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.

Contact(s):

• James Badro, IPGP (CNRS-INSU, Paris Diderot)
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