Formation du noyau terrestre

Report
Formation du noyau de la Terre
Julien Siebert
IMPMC-UPMC, CNRS
Institut de Physique du Globe de Paris
Structure de la Terre
Dziewonski & Anderson (PEPI, 1981)
Composition du noyau
Birch (1962)
Abondances chimiques dans le système solaire
H
Fe fusion dans les étoiles
B, Li, Be instables dans les étoiles
Éléments plus lourds sont produits
lors de l’explosion des supernovas
par capture de neutrons.
Pic du Fer, Fe est le composant principal du noyau terrestre
Compositions du noyau
Composition du manteau primitif
+
Tendances des compositions des chondrites
Composition en Fer de la Terre globale
bien que la majorité du Fer se trouve
dans le noyau qu’on échantillonne pas
Par Mass balance avec le manteau
80-85 wt% Fe dans le noyau
Ni/Al
5 wt% Ni dans le noyau
Composition du noyau
Éléments légers
Equation d’état du Fer à HP-HT (K0, K’0,, α, V (P0, T)
Différence de densité de10%
du fer pur par rapport au
noyau
Présence d’éléments légers
dans le noyau de la Terre. Le
noyau liquide est plus riche
en éléments légers que la
graine
Composition du noyau
Éléments légers
Abondances cosmochimiques
Candidats possibles:
H, C, O, Si, S
Formation du noyau
Contexte géodynamique
Conditions P-T d’équilibre chimique métal-silicate
déterminantes pour les compositions du noyau
et du manteau.
Formation du noyau
Contexte géodynamique
Matériel chondritique = Matériel de départ
(Mélange de métal et de silicate)
Chondrite Allende
Formation du noyau
Contexte géodynamique-datation
• 182Hf  182W (T1/2=9 Ma) (via 182Ta, T1/2=114,43j)
• 2 éléments réfractaires:
• H/W Terre totale = chondrite
• Hf lithophile, W sidérophile
Formation du noyau
Contexte géodynamique-datation
 182 W 
 182 W 
182 Hf  180 Hf 
184   184   180
  184

 W TS  W   Hf   W TS

182 W 
182 W  182 Hf  180 Hf 

184 
184   180
  184

 W CHUR
 W   Hf   W CHUR
~Noyau

ϕ
t
T core formation ~ 30 Ma
Formation du noyau
Contexte géodynamique
T core formation ~ 30 Ma
Ségrégation rapide du métal dans Terre primitive
Ségrégation solide-solide (trop lente)
Métal est liquide
Ségrégation liquide-solide
Ségrégation liquide-liquide (océan magmatique)
Formation du noyau
Contexte géodynamique
Formation du noyau
Contexte géodynamique
Modèles dynamiques d’accrétion
des planètes dans le système solaire
Succession d’impacts géants
pour former la majeure partie de la
Terre
Formation du noyau
Contexte géodynamique
Impact géant
La plupart du matériel (Terre- impacteur)
est fondue.
Une partie est vaporisée (l’ impacteur
principalement)
Classification géochimiques des éléments
Abondances élémentaires du manteau
Appauvrissement des éléments sidérophiles
Observables mantelliques
Chondrite
(CV, Allende)
Peridotite
(roche mantellique)
Appauvrissement des éléments sidérophiles
Empreinte chimique de la formation du noyau
Observables mantelliques
Expérience de Partage
métal-silicate
Excès de sidérophiles dans le manteau.
Lié aux conditions d’équilibre métal-silicate
Le comportement de partages d’un élément sidérophile
entre métal et silicate au cours de la formation du noyau
Dépend de plusieurs paramètres:
-La Pression (P)
- La Température (T)
- La fugacité d’oxygène (fO2)
- Les compositions chimiques (métal et silicate)
Formation du noyau
Contexte géodynamique
Conditions P-T d’équilibre chimique métal-silicate
déterminantes pour les compositions du noyau
et du manteau.
Formation du noyau
Expériences de HP-HT
Partages métal-silicate pendant différenciation fixent les abondances en
éléments sidérophiles du manteau présent.
- D (partages élémentaires métal-silicate) ~ 1 - > 1000 selon éléments
Les mesures de partages à pression ambiante ne permettent pas
d’expliquer les abondances en sidérophiles du manteau
Formation du noyau
Expériences de HP-HT
Partages métal-silicate pendant différenciation fixe les abondances en
éléments sidérophiles du manteau présent.
- D (partages élémentaires métal-silicate) ~ 1 - > 1000 selon éléments
Expériences HP-HT (presses hydrauliques, cellule diamants)
Pour mesurer les partages des sidérophiles en contexte de différentiation planétaire
et expliquer comment produire les abondances chimiques qu’on observe dans le manteau
(HP-HT)
Expériences HP-HT
Principe de base
P = F/S
P = Pression
F = Force
A = Surface
Donc
Haute pression peut être générée:
Force plus grande-->Volume d’échantillon plus grand
Surface plus petite--> Volume d’échantillon réduit
Devices required for P-T conditions
cm
120 km
4 GPa, 2700 °C
mm
core
mantle
750 km
25 GPa, 2800 °C
~ 5000 km
~ 300 GPa, > 5000 °C
m
Presses hydrauliques- Piston cylindre
Extreme values of intensive properties
(pressure, temperature, voltage) may be
obtained through:
•Disproportionation
•Gathering and focusing
•In situ energy transformation
piston-cylindre principle
(origins lost in antiquity)
Pressures derived by transferring the large
thrust of a hydraulic ram to a small area (to
generate high pressure) are limited by the
compressive strength of the transferring
material.
Upper pressure limit is set by failure of the piston
(1-4 GPa, <2600 °C)
Presses hydrauliques- Piston cylindre
250 ton press
WC
WC
WC
Pressure is directly derived from
The size of the piston Ø
BUT friction loss
Pressure medium/cell
WC
Presses hydrauliques- Piston cylindre
High T assemblies
Calibration de la température
vs. Puissance
2100 K
3000 K
Presses hydrauliques- Multi enclumes
GAMME DE TRAVAIL
• Pression : 3 à 26 GPa (carbures); 80-100 GPa (diamants
frittés)
• Température : RT à 2500°C
• Durée : plusieurs jours à T<1600°C
Presses hydrauliques- Multi enclumes
Presse 5000 tonnes
Misasa, Japon
Presse 1500 tonnes
Clermont Ferrand, France
Presse 6000 tonnes, Ehime,
Japon
Presses hydrauliques- Multi enclumes
Presses hydrauliques- Multi enclumes
Assemblage
Presses hydrauliques- Multi enclumes
Assemblage
Presses hydrauliques- Multi enclumes
Assemblage
Presses hydrauliques- Multi enclumes
Répartition des forces
Presses hydrauliques- Multi enclumes
Metal-silicate partitioning of siderophile elements
Large Volume presses- « Cook and look Experiments »
Piston-cylindre
Multi-enclumes
Techniques analytiques
-Microscope électronique à balayage (observations, infos χ qualitatives)
-Microsonde électronique (infos χ quantitatives)
-Microsonde ionique (SIMS), LA-ICPMS, spectrométrie de masse
(infos χ quantitatives avec très haute résolution analytique)
Résolution spatiale > 5 µm
Formation du noyau
Expériences de HP-HT
Ni et Co :
Éléments réfractaires
Modérément sidérophiles
Terre:
Patm:
DNi
DCo
DNi
DCo
~1
~10
Metal-silicate partitioning of siderophile elements
Large Volume presses- Ni and Co partitioning
(Keggler et al., 2008)
Observables du manteau
Excès de sidérophiles dans le manteau
Equilibre noyau-manteau à haute pression-haute température (HP-HT)
Diamond anvil cell experiments
Homogeneous peridotite and tholeiite glasses (+ oxide traces)
(Piston-cylinder/Laser levitation)
+
Fe metal / (Fe, Ni, Si) metal foils (piston cylinder synthesis)
P = 35-75 GPa
T= 3100-4400 K
(superliquidus conditions)
The Diamond Anvil Cell
Diamond
Gasket
20 m
Diamond
High Pressures and High Temperatures
thermal emission
T
wavelength
Diamond anvil cell experiments
Diamond
Yag Laser
thermal emission
T
wavelength
Re Gasket
4500
T e m p e ra tu re 1 (K )
T e m p e ra tu re 2 (K )
Diamond
Yag Laser
T e m p e ra tu re (K )
4000
3500
3000
Run duration=100s
2500
T=3400 ±150 K
2000
0
50
100
T im e (s)
150
200
FIB (Focused ion Beam)
Sample recovery
FIB crossbeam, IMPMC
Optical image
Hot spot area
FIB electron
image
-Milling with Ga ion beam
-Electron image of the sample
Re Gasket
Hot spot area
FIB (Focused ion Beam)
Sample recovery
FIB (Focused ion Beam)
71 GPa
3500 K
Expériences en cellule diamant
Formation du noyau
Expériences de HP-HT
Les abondances en Ni et Co
du manteau peuvent s’expliquer
par un équilibre noyau-manteau
à la base d’un océan magmatique
d’environ 1000 km de profondeur
(~40-50 GPa, 3500 °C)
Resultats
Ni-Co Partitioning
Equilibre noyau-manteau
À la base d’un océan
magmatique profond
peut produire les
abondances en Ni et Co
du manteau
Profondeur maximale
de l’océan magmatique
1400 km
Modèle de formation du noyau
Expériences HP-HT
Partages métal-silicate
des modérément sidérophiles
~1300 km
(Siebert et al., 2011)
à HP-HT
(Fiquet et al., 2008)
(Siebert et al., 2012)
Formation du noyau à la base d’un océan
Magmatique profond (P~50 GPa, T~3500 °C)
Observables mantelliques
Abondances des éléments peu sidérophiles (V, Cr, Mn)
Solidus
Liquidus
Solidus
Peridotite
Liquidus
Résultats des expériences de partage métal-silicate pour les
éléments peu sidérophiles (V, Cr, Mn)
Température d’équilibre noyau-manteau trop élevée
Scénario d’accrétion et de différenciation plus complexe requis
Résultats des expériences de partage métal-silicate pour les
éléments peu sidérophiles (V, Cr, Mn)
Température d’équilibre noyau-manteau trop élevée
Scénario d’accrétion et de différenciation plus complexe requis
Le comportement de partages d’un élément sidérophile
entre métal et silicate au cours de la formation du noyau
Dépend de plusieurs paramètres:
-La Pression (P)
- La Température (T)
- La fugacité d’oxygène (fO2)
- Les compositions chimiques (métal et silicate)
Plus la fugacité d’oxygène (fO2) est basse plus on réduit sous forme
Métal des éléments peu sidérophiles
Core formation models
Model of continuous core segregation during accretion
(Wood et al, 2006)
IW-4
X FeO = 0.8 wt. %
Oxidizing conditions
IW-2
X FeO = 8 wt. %
Model of continuous core segregation during accretion
Mécanisme d’oxydation de la Terre pendant l’accrétion
Accrétion hétérogène
fO2 constante pendant l’accrétion
fO2 variable pendant l’accrétion
Mécanisme d’oxydation de la Terre pendant l’accrétion
Mécanisme de substitution de l’Al3+ dans le manteau inférieur
Apparition de la perovskite au cours de l’accrétion avec
une quantité importante de Fe 3+ dissous force une
réaction de disproportion de Fe2+ en Fe 3+ et Fe métal
pour conserver un équilibre redox
En termes d’oxydes pour le manteau inférieur :
Mécanisme d’oxydation de la Terre pendant l’accrétion
Accrétion homogène
Walsh, 2012, Nature
Wood, 2006, Nature
Accrétion de matériel réduit proche du soleil (< 1Au)
Matériel réduit pour former la Terre: les chondrites à enstatite
Terre isotopiquement proche d’une famille spécifique de chondrites: les EH
Observables mantelliques
Abondances des éléments très sidérophiles (PGE, Au)
Vernis tardif après formation du noyau (et apport volatils, eau)
Compositions de la Terre globale
Fe, Mg, Si, O
Composition (tendance) du manteau primitif
+
Tendances des compositions des chondrites
Mg/Si (Terre globale) est élevé
par rapport aux objets
non différenciés
du système solaire.
Si manquant pourrait se trouver
dans le noyau
(~ 7wt.%)
Composition du noyau
Éléments légers
Sous conditions
réduites (basse fO2)
On peut solubiliser
À HP-HT
Du Si (> 5 wt%)
Et un peu d’oxygène
(<1 wt%)
Composition du noyau
Éléments légers
Composition du noyau
Éléments légers
Composition du noyau
Éléments légers
Cas du S (élément volatil)
Composition du noyau
Éléments légers
Cas du S (élément volatil)
Composition du noyau
Éléments légers
Suffisant pour expliquer le
déficit de densité du noyau
de la Terre

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