Une énigme de la formation de la Terre enfin résolue

La Terre semble bien avoir été formée à partir de corps célestes dont la composition est proche de celle de certaines météorites, les chondrites à enstatite. Mais les modèles qui s’appuient sur cette hypothèse conduisent à une énigme. Un groupe de chercheurs français du Laboratoire magmas et volcans (LMV) de l’université Blaise Pascal (à Clermont-Ferrand) pense l’avoir résolue : la composition chimique de la Terre primitive aurait été altérée par la destruction de sa croûte sous l’effet d’impacts de corps célestes.

Environ 80 % des météorites que l’on trouve sur Terre sont des chondrites. Les autres sont des sidérites – constituées de fer presque pur avec du nickel – et des achondrites, lesquelles sont proches des roches plutoniques et volcaniques. La composition chimique moyenne des chondrites est remarquablement similaire à celle de l’atmosphère du Soleil, d’où l’hypothèse que ces météorites proviennent du même matériau à l’origine de notre étoile et qu’elles constituent donc une machine à remonter dans le temps permettant de comprendre l’origine du Système solaire.

Au début des années 1950, le grand chimiste Harold Urey a exposé les résultats de ses travaux sur les météorites, et notamment les chondrites – qui sont particulièrement âgées puisqu’elles datent d’environ 4,56 milliards d’années, c’est-à-dire le début de la formation des planètes. Avec son élève Harmon Craig, il a classé les chondrites en fonction de leur richesse en fer et, surtout, selon leur contenu en particules de fer ou en fer oxydé lié à des silicates.

Il s’est avéré qu’une classe particulière de chondrites, les chondrites à enstatite, était en mesure d’illuminer le mystère de l’origine de la Terre et de sa structure différenciée avec un noyau, un manteau et une croûte. En effet, lorsque l’on retire d’une chondrite à enstatite les particules de fer natif qu’elle contient, le résidu est chimiquement très proche des péridotites, les roches qui constituent une large part du manteau de la Terre. Mieux, le rapport entre la proportion de fer dans une chondrite à enstatite et ce résidu silicaté est également proche de celui entre le contenu en fer du noyau de notre planète et son manteau silicaté.

Peridotite basalte

Le magma basaltique naît par fusion partielle du manteau vers -100 à -60 km de profondeur. Au cours de sa remontée, ce magma peut arracher des fragments de roche mantellique et les entraîner jusqu’à la surface. Les nodules verdâtres de péridotites visibles sous forme de xénolithes dans ce basalte gris de la Roche de Sauterre, en Auvergne, constituent donc des échantillons naturels du manteau. (Source : Laurent Sacco)

Cela suggère donc fortement que la Terre est le produit de l’accrétion sous l’effet de la gravitation de petits corps célestes de composition très proche de celle d’une chondrite à enstatite. La chaleur accumulée par cette accrétion et celle dégagée par les isotopes radioactifs au tout début de l’histoire de la Terre aurait ensuite conduit à la fusion des particules de fer, lequel aurait ensuite coulé jusqu’au centre de la Terre.

Rappelons que, pendant longtemps, les astrophysiciens et les cosmochimistes étaient divisés en deux écoles quant à l’origine des planètes. L’école anglo-saxonne voyait la formation des planètes comme une condensation rapide de zones de surdensité dans le disque protoplanétaire entourant le jeune Soleil. L’école soviétique issue des travaux d’Otto Schmidt et surtout de Viktor Safronov soutenait quant à elle que les planètes s’étaient formées à partir de petits cailloux qui, par effet boule de neige, avaient engendré des corps célestes de quelques dizaines de kilomètres environ. Ces planétésimaux sont ensuite entrés en collision, conduisant à la formation des protoplanètes.

Le programme Apollo et les observations des autres planètes dans le Système solaire de la fin des années 1960 à la fin des années 1970 ont montré que Schmidt et Safronov avaient raison et que des planètes comme Mercure et la Lune portaient encore la trace de l’important bombardement de météorites, astéroïdes et comètes accompagnant cette accrétion. L’origine de la Terre semblait désormais bien comprise…

Collision Terre - corps rocheux

La collision d’un corps rocheux avec la Terre primitive aurait conduit à la pulvérisation de la croûte terrestre. (Source : Asmaa Boujibar)

Toutefois, des analyses fines de la composition des chondrites à enstatite ont conduit les cosmochimistes à des énigmes. Si le matériau de base de la formation de la Terre est bien celui des chondrites à enstatite, alors pourquoi la composition chimique de sa croûte et celle de son manteau, déduite par exemple des nodules de péridotites retrouvés en surface dans des basaltes comme ceux de la Roche de Sauterre, en Auvergne, montrent-elles un appauvrissement en silicium et un enrichissement en magnésium par rapport à ces météorites ? Pourquoi constate-t-on aussi un enrichissement en éléments lithophiles (des élément ayant des affinités pour la croûte et le manteau plutôt qu’avec le noyau) réfractaires, tels que l’aluminium ou le calcium et un appauvrissement en éléments lithophiles volatils, tels que le sodium ou le potassium ?

Des chercheurs du CNRS pensent avoir enfin trouvé la clé de cette énigme comme ils l’expliquent dans un article paru dans Nature Communications. En effet, la presse multi-enclume du laboratoire Magmas et volcans (LMV) de l’université Blaise Pascal, à Clermont-Ferrand, produit des pressions entre 3 et 26 GPa avec des températures pouvant atteindre 2.000 °C. Elle permet donc de reconstituer des conditions qui règnent jusque dans le manteau supérieur de notre planète. Cet engin peut servir également à explorer la physique et la chimie de la jeune Terre au tout début de l’Hadéen, lorsque sa croûte et son manteau nouvellement formés étaient encore soumis à un intense bombardement de corps célestes, juste avant la collision avec Théia, la petite planète de la taille de Mars, qui aurait engendré la Lune.

Différenciation planétaire

Les étapes de la différenciation planétaire (ségrégation du noyau, cristallisation de l’océan magmatique et formation de croûte par fusion partielle), suivies de l’érosion par les impacts, ont fait évoluer la composition chimique de la planète. Ce scénario a pu se produire sur les différents embryons planétaires qui ont contribué à former la Terre. (Source : Asmaa Boujibar et Denis Andrault)

Si le fer est bien tombé rapidement au centre de la Terre, d’autres éléments sont quant à eux montés en surface pour constituer la croûte au-dessus d’un océan magmatique primitif. Les chercheurs du LMV ont donc reproduit la genèse de cette croûte en faisant fondre des chondrites à enstatite à différentes pressions. Les liquides obtenus se sont révélés très riches en silicium et très pauvres en magnésium. Il devait donc en être de même pour la croûte primitive de la Terre par rapport à son manteau. Mais comme le bombardement était encore très violent durant les premières dizaines de millions d’années de l’histoire de la Terre, cette croûte était sans cesse détruite.

La chaleur dégagée par les impacts était importante, de sorte qu’une partie de la croûte devait se vaporiser. Une partie des éléments volatils qu’elle contenait est donc partie dans l’espace par simple évaporation tandis que certains éléments réfractaires qui, eux, ne sont gazeux qu’à très haute température, se sont rapidement condensés à nouveau. Au final, la répétition de ce processus aurait conduit aux appauvrissements et enrichissements constatés.

Ce scénario ne s’est probablement pas produit que sur Terre mais aussi sur toutes les protoplanètes suffisamment massives pour se différencier. Ces corps célestes ont effectivement existé puisque nous en trouvons certains restes sous la forme des sidérites et des achondrites. Voilà donc une clé supplémentaire pour les cosmochimistes occupés à reconstituer la cosmogonie du Système solaire.

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, les expositions « La machine Terre » et « Initiation à l’astronomie« , ainsi que les pages Risques majeurs et Astronomie/Physique.

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