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.