Silicium dans le noyau terrestre

Report
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
Météorites
Non-différenciées
Différenciées
Chondrites
Ordinaires
Carbonées
Enstatite
Différenciées
Non-différenciées
Chondrites
La structure de la Terre
Région accessible
à l‘échantillonnage
67.5% (wt)
32.5% (wt)
Notion de boîte
- 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.
Bilan de masse
- 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 = CiBSE × fBSE + Cinoyau × fnoyau
• Comment déterminer la composition du BSE ?
• Quelle composition pour la Terre Globale ?
Note: BSE=Bulk Silicate Earth=Terre Globale Silicatée
Détermination de la composition du BSE
Péridotite mantellique (Kilbourne Hole)
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
Composition du manteau terrestre primitif comparé aux chondrites
en éléments réfractaires lithophiles
Palme & O’Neill 2007
Mg et Si ne sont pas des éléments réfractaires!
Palme 2000
Le rapport Mg/Si dans les chondrites
Jagoutz et al., 1979
Fractionnements élémentaire et isotopique dans la nébuleuse
solaire affectant les compositions des chondrites
Processus dans la nébuleuse solaire:
- Evaporation partielle
- Condensation partielle
Physique de l’évaporation
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.
J cond
J evap
surface
solide
Evaporation à partir d’un solide
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.
Effet cinétique d’une évaporation
• Pendant l’évaporation, les isotopes légers sont perdus
préférentiellement pour la phase gazeuse.
• La phase solide s’enrichit en isotopes lourds.
Fractionnement isotopique associé à l’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
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
Effet de la réaction inverse
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).
Fractionnement isotopique associé à l’évaporation
Davis 2003
Isotopes du K
• Le potassium a trois isotopes (39K, 40K et 41K).
• Il est volatil et lithophile.
• On note
41
39


K
/
K ech
41
 K   41 39
 1 1000
 K / K standard 
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
Composition isotopique en Si des chondrites
-0.30
-0.35
CC
30
 Si
-0.40
OC
-0.45
-0.50
-0.55
EC
-0.60
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
Mg/Si
0.85
0.90
0.95
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:
30Si
Évaporation
de SiOg
Chondrite CI
Condensation d’un gaz
de SiO
Mg/Si
Composition isotopique en Si des chondrites
-0.30
-0.35
CC
30
 Si
-0.40
OC
-0.45
-0.50
-0.55
EC
-0.60
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
Mg/Si
Condensation d’un gaz de SiO selon:
Mg2SiO4 + SiO(g) + H2O = 2MgSiO3 + H2
0.90
0.95
Fitoussi et al. 2009
Le rapport Mg/Si dans les échantillons terrestres
Jagoutz et al., 1979
Fractionnement isotopique par processus magmatique?
-0.10
-0.15
-0.20
-0.25
Moyenne des échantillons terrestres
30
 Si
-0.30
Savage et al. 2010
CC
-0.35
-0.40
OC
-0.45
-0.50
EC
-0.55
-0.60
0.00
Fitoussi et al., 2009
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
Mg/Si (wt)
Pas de fractionnement en Si induit par processus magmatique
2.00
Le rapport Mg/Si de la Terre Silicatée est superchondritique!
Jagoutz et al., 1979
Explications possibles
- 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.
Composition du manteau terrestre primitif comparé aux CI
en éléments lithophiles
Par rapport aux chondrites carbonées, la Terre possède
un appauvrissement en éléments volatils
Explications possibles
- 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.
Rapport Mg/Si super-chondritique du manteau terrestre
Péridotites
Chondrites
7% Si dans le noyau ?
Jagoutz et al., 1979
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 Si
Dans la phase métal: = f(P, T, fO2)
Du Silicium dans le noyau ?
Oui, si les conditions {P, T, fO2}
de formation du noyau ont été
telles que le Silicium était sidérophile.
T=2000 à 2200°C
Gessmann et al., 2001
Malavergne et al., 2004
Qu‘en est-il des isotopes du Si ?
• Y a-t-il un fractionnement associé à la ségrégation métal-silicate ?
Mg228SiO4 + Fe30Si
Mg230SiO4 + Fe28Si
ou perovskite
ou perovskite
Si dans le noyau
manteau enrichi en isotopes lourds
• Est-ce mesurable?
silicate
29Si
Roche totale
métal
emétal-silicateSi ~ f(T)
Haute précision nécessaire
pour couvrir une large gamme de T
30Si
Premières compositions isotopiques en Si dans les météorites et péridotites
Georg et al., Nature, 2007
Deuxième jeu de données de compositions isotopiques en Si
dans les météorites et péridotites
0.00
-0.05
1SD
-0.10
29
 Si
-0.15
DBSE-CC30Si = 0.2 ‰
(Georg et al., 2007)
-0.20
DBSE-CC30Si = 0.08 ‰
(Fitoussi et al. 2009)
-0.25
Kinetic fractionation line
-0.30
Equilibrium fractionation line
CC average (Georg et al., 2007)
Peridotites average (Georg et al., 2007)
-0.35
CC average (this work)
Peridotites average (this work)
-0.40
-0.70
-0.60
-0.50
-0.40
-0.30
-0.20
-0.10
30Si
Implications sur la différence 30SiBSE – 30SiCC = DBSE-CC30Si &
sur les compositions isotopiques absolues
0.00
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
• 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)
Humayun, 1995
Absence de fractionnement isotopique entre BSE et chondrites en
Li, 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)
Modèle de formation du noyau à un stade à hautes P&T
30GPa, T=3000K, log fO2=IW-2
6.3 wt% Fe
21.2 wt% Si,
Fe, Ni
7 wt%Si, traces
Facteur de fractionnement isotopique en Si entre silicate et métal en fonction
de la température
Ziegler et al., 2010,
Shahar et al., 2009
et 2011
Températures d‘équilibration métal-silicate correspondant aux
fractionnements isotopiques mesurés
Georg et al. 2007
Fitoussi et al. 2009
Modèle à 1 stade lors de la formation du noyau terrestre :
Teq métal-silicate ~3000 K (e.g. Corgne et al., 2008)
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 modèles 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 ?
Mais... Si la Terre ressemble aux CC par ses éléments réfractaires lithophiles,
qu‘en est-il des isotopes ?
Les isotopes de l‘oxygène
Clayton 1993
Mais... Si la Terre ressemble aux CC par ses éléments réfractaires lithophiles,
qu‘en est-il des isotopes ?
Les isotopes du chrome
Trinquier et al. 2007
Mais... Si la Terre ressemble aux CC par ses éléments réfractaires lithophiles,
qu‘en est-il des isotopes ?
Les isotopes du titane
Trinquier et al., Science, 2009
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
Qu‘en est-il d‘une Terre Globale = Chondrites à enstatites plutôt que CC ?
=
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
http://yamato.nipr.ac.jp/AMRC/collection/eh.html
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
Température d‘équilibre métal-silicate lors de la formation du noyau terrestre
résultant d‘une terre = chondrites à enstatite
Fitoussi & Bourdon, Science, 2012
Le fractionnement isotopique entre EC et BSE correspond à des températures
d‘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)
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 éléments
sidérophiles 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‘un
processus 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)
Fitoussi & Bourdon, Science, 2012
Une composante hors-équilibre n‘augmenterait pas la composition isotopique du Si du BSE
Les péridotites sont-elles représentatives du manteau terrestre ?
Que nous disent les isotopes du Si sur
le processus de formation de la Lune ?
Si (Lune) = Si (BSE)
Fitoussi & Bourdon, Science, 2012
Simulation dynamique de l’impact qui a formé la Lune
Canup & Asphaug, 2001
Un des résultats: plus de 80% de la composition de la Lune vient de celle de l‘impacteur
Similarités Terre-Lune
Les isotopes de l‘Oxygène
Clayton & Mayeda, 1996
Wiechert et al., Science, 2001
Similarités Terre-Lune
Les isotopes du W
Touboul et al., Nature, 2007
Gamme de compositions possibles de l‘impacteur en D17O
Clayton 1993
Gamme de compositions possibles de l‘impacteur en 54Cr
Trinquier et al. 2007
Un processus d‘équilibre a dû exister entre le BSE et le disque protolunaire
après l‘impact géant
-0.700
-0.600
-0.500
-0.400
-0.300
-0.200
-0.100
0.000
0.000
-0.050
-0.100
BSE = Moon
-0.150
29
 Si
CC
-0.200
OC
-0.250
EC
-0.300
-0.350
-0.400
 Si
30
Modèle d‘équilibre Terre-Lune après l‘impact géant
Pahlevan & Stevenson, 2007
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.

similar documents