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Le noyau de la Terre contiendrait bien du soufre en énorme quantité

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Une équipe internationale de géochimistes vient d'apporter un argument supplémentaire appuyant la thèse de la collision entre la Terre et Théia qui aurait conduit à la formation de la Lune. Surtout, leur travail renforce une autre hypothèse, celle de la présence d'une grande quantité de soufre dans le noyau terrestre.

Selon les chercheurs, un liquide riche en soufre se serait formé et aurait plongé au centre de la Terre. Ici, des dépôts de soufre au sommet de l'Etna, le célèbre volcan sicilien. © Laurent Sacco

Il est possible de poser des contraintes sur la composition de la Terre en estimant sa densité et son moment d'inertie. Ce dernier influence le comportement de sa rotation, aussi bien au niveau de sa vitesse que de la position et l'orientation de son axe de rotation. Il est aussi possible d'affiner les modèles de l'intérieur de la Terre en utilisant les données de la sismologie puisque les types et les caractéristiques des ondes qui s'y propagent dépendent de la composition et de la structure minéralogique des matériaux qui s'y trouvent. De cette manière, on a ainsi fait la découverte du noyau et de la graine de notre planète et l'on a pu avancer l'idée qu'ils étaient constitués de fer et de nickel.

Toutefois, le noyau s'est avéré trop léger pour n'être qu'un simple alliage de ces deux métaux. En employant les ressources de la géochimie et de la physique du solide, les scientifiques en ont déduit qu'il devait aussi contenir quelques éléments de plus qui pouvaient être de l'oxygène, du carbone, du silicium et même du soufre. Un groupe international de géochimistes, parmi lequel se trouvent Frédéric Moynier (Institut de Physique du Globe, Paris) et Paul Savage (Département des Sciences de la Terre, université de Durham, Royaume-Uni), vient de fournir une nouvelle pièce au puzzle dans un article publié dans Geochemical Perspectives Letters.

La géochimie isotopique, une clé de l'histoire de la Terre

La géochimie des isotopes est une puissante discipline des Sciences de la Terre qui permet de retracer les événements de son histoire. Elle fait partie d'une discipline plus large, la cosmochimie, qui permet de relier la formation et l'évolution de la Terre à celles des étoiles et surtout du Système solaire, avec son disque protoplanétaire et ses collisions entre corps célestes.

Dans le cadre de la théorie de l'accrétion, la Terre s'est largement formée à partir de collisions de corps dont la composition chimique est proche de celle mesurée dans les chondrites, une classe qui regroupe l'essentiel des météorites qui tombent sur Terre. Une autre classe importante est formée par des météorites constituées essentiellement de fer et de nickel. Celles-ci sont justement censées être représentatives de la nature du noyau de la Terre.

La météorite Gibeon, une sidérite octaédrite classée IV A, a été trouvée en Namibie en 1836. La belle structure de ses figures de Widmanstätten et son excellent état de conservation en font la météorite la plus utilisée en bijouterie. Pour les géologues, elle donne surtout de précieux indices sur l'aspect du noyau en fer et en nickel de la Terre. © L. Carion, carionmineraux.com

On a toutes les raisons de penser que la Terre s'est constituée à partir d'un matériau chondritique mais que, sous l'action de la chaleur accumulée et de la gravité, les éléments lourds contenus dans ce matériau ont plongé au centre de la Terre. Les éléments légers seraient quant à eux remontés vers la surface pour former la croûte, laissant un manteau appauvri en ces éléments. Le même processus, dit de différentiation, se serait produit pour des petites planètes détruites depuis longtemps par des collisions. C'est pour cette raison que des échantillons de leurs noyaux, formés de fer et de nickel, nous parviennent aujourd'hui sous forme de météorites.

8,5 milliards de milliards de tonnes de soufre

Il n'est pas possible d'obtenir des échantillons du noyau de la Terre, qui se trouve à plusieurs milliers de kilomètres de profondeur et dont la température atteint environ 6.000 kelvins en son centre. Il n'est donc pas possible d'apporter une preuve directe concernant les modèles décrivant sa composition ni de les faire avancer à partir d'échantillons. Cela n'a pourtant pas empêché Moynier, Savage et leurs collègues d'aboutir à la conclusion que le noyau de la Terre devait contenir 8,5 1018 tonnes de soufre, soit dix fois plus que dans le reste de l'intérieur de notre planète. Une quantité qui équivaut en fait à 10 % de la masse de la Lune.

Pour aboutir à cette conclusion étonnante, les chercheurs se sont basés sur les rapports d'abondance d'isotopes du cuivre, à savoir 65Cu et 63Cu. Ces rapports sont mesurables dans les chondrites ainsi que dans les laves et les échantillons de roche du manteau que des processus magmatiques amènent en surface. Il est donc possible d'estimer ces abondances dans le manteau terrestre dont on a toutes les raisons de penser qu'il dérive d'un matériau chondritique initial.

La collision de Théia avec la Terre aurait engendré la création de la Lune. © Fahad Sulehria, vue d'artiste

Or, si l'on suppose que la Terre est entrée en collision avec un petit corps de la taille de Mars baptisé Théia, quelques dizaines de millions d'années après sa naissance et lorsqu'elle était déjà différentiée, la chaleur apportée par l'impact aurait largement fondu le manteau de la Terre, permettant a du liquide magmatique riche en soufre de plonger vers le cœur de la Terre.

Certains isotopes du cuivre sont particulièrement chalcophile, c'est-à-dire qu'ils aiment se trouver associés à des atomes de soufre. Si Théia est bien entrée en collision avec la Terre, le manteau de notre planète devrait donc être appauvri en certains de ces isotopes, ce qui devrait se voir en comparant les rapports d'abondance de ces isotopes avec ceux des chondrites.

Tel est bien le cas. Mais, pour consolider leur argumentaire, les chercheurs ont aussi fait des expériences en laboratoire pour reproduire les conditions de température et de pression régnant dans le manteau. Elles confirment le scénario de la formation d'un liquide riche en soufre plongeant en direction du centre de la Terre.

Les géochimistes ont donc fait coup double. Non seulement ils ont confirmé le scénario standard pour expliquer l'origine de la Lune à partir de la collision entre Théia et la Terre mais ils ont montré qu'une énorme quantité de soufre a dû migrer du manteau vers le noyau de notre planète.