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Les mystérieuses fontaines de lave lunaires enfin expliquées

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Il y a plusieurs milliards d'années, des volcans étaient en pleine activité sur la Lune et les missions Apollo ont même découvert la trace de fontaines de lave, à l'origine jusque-là inexpliquée. Éclairés par les progrès de la volcanologie, des géologues pensent avoir identifié le gaz responsable de ces phénomènes.

Interview : comment se forme le magma avant une éruption volcanique ?  Le magma est à l'origine de la formation des volcans. Cette roche en fusion, qui bouillonne dans le cratère, provient d’une fusion partielle du manteau de la Terre. Futura a rencontré Jacques-Marie Bardintzeff, docteur en volcanologie, qui raconte l'origine du magma. 

Longtemps, les astronomes ont pensé que les cratères lunaires étaient des restes de volcans éteints, notamment des caldeiras. L'hypothèse qu'il puisse aussi s'agir de cratères d'impact de corps célestes a lentement commencé à gagner du terrain à la fin du XIXe siècle. Le débat s'est poursuivi jusqu'aux années 1950 mais les progrès de la conquête spatiale ont clairement démontré que les partisans des impacts avaient largement raison.

Est-ce à dire qu'il n'y a pas des traces d'activité volcanique sur la Lune ? Pas du tout ! Et les échantillons de roches et de sols lunaires rapportés par les missions Apollo ont même montré que des fontaines de lave ont dans le passé surgi du sol lunaire. Elles ont dû, sans doute, ressembler aux éruptions fissurales du Bardarbunga en Islande.

L'éruption du Bardarbunga en Islande, en septembre 2014, a été spectaculaire. On pouvait l'observer tranquillement depuis un hélicoptère. © Photovolcanica, YouTube

Le mystérieux sol orange d'Apollo 17

En témoignent notamment les échantillons de sol orange découvert lors de la mission Apollo 17. Les géologues lunaires pensent qu'il s'agit des restes d'une éruption explosive, survenue il y a 3,64 milliards d'années, qui a produit des fontaines de lave, s'étant produite. Ce sol contenait de minuscules grains vitreux qui ont fait l'objet de plusieurs analyses, dont celles menées depuis quelques années par le géologue Alberto Saal et son équipe (Department of Geological SciencesBrown University, État de Rhode Island).

Il a poursuivi ses recherches sur ces échantillons de verres volcaniques à l'aide de la spectrométrie de masse à ionisation secondaire (Secondary ion mass spectrometry, SIMS). Le principe de cette technique consiste à bombarder des échantillons avec des faisceaux d'ions pour vaporiser le matériau et produire des ions dits secondaires qui sont ensuite dirigés vers un spectromètre de masse classique. La méthode est efficace pour mettre en évidence les produits volatils (gaz carbonique, eau, fluor, soufre et chlore) inclus dans les roches lunaires.

Le « sol orange » découvert par le géologue Harrison Schmitt lors de la mission Apollo 17 non loin du site d'alunissage de Taurus-Littrow. L'objet dont on voit une partie sur la gauche est un gnomon équipé d'une charte photométrique qui sert de référence pour interpréter les couleurs de l'image. © Nasa

Alberto Saal et ses collègues avaient découvert il y a quelques années que les éléments volatils du verre volcanique du sol orange et d'autres échantillons similaires étaient très semblables à ceux des basaltes des rides médio-océaniques sur Terre. Cela indiquait notamment que certaines parties de l'intérieur de la Lune contiennent autant d'eau que le manteau supérieur de la Terre.

Cette similitude allait bien dans le sens de la théorie de l'origine de la Lune faisant intervenir une collision avec la petite planète Théia. La Lune se serait ensuite formée par accrétion à partir d'un matériau contenant une partie importante du manteau terrestre originel, ce qui explique bien les similitudes de composition chimique entre les deux astres. Alberto Saal vient de publier un nouvel article dans Nature Geoscience qui lui permet, en compagnie de ses collègues, de lever le voile sur le mécanisme à l'origine de ces fontaines de lave.

Plusieurs extraits vidéo montrent la découverte du « sol orange » par Harrison Schmitt lors de la mission Apollo 17. © Apollo Lunar Surface Journal (Nasa)/YouTube

Le monoxyde de carbone, le moteur des fontaines de lave lunaires

Le moteur évident des éruptions volcaniques, ce sont les gaz. Oui mais quels gaz ? Sur Terre, il s'agit essentiellement de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone en proportions variables mais on trouve aussi du dioxyde de soufre, du monoxyde de carbone, du sulfure d'hydrogène, du chlorure d'hydrogène ou encore du dihydrogène en quantités non négligeables. Et sur la Lune ?

La réponse n'a rien d'évident. L'impact avec Théia qui a vaporisé une bonne partie du matériau à l'origine de la Lune a aussi dû faire partir une bonne partie des éléments volatils qu'il contenait. Le manteau lunaire devrait ainsi être dépourvu ou presque d'hydrogène et de carbone. Pourtant, en utilisant une sonde ionique de type SIMS, il a finalement été possible de mettre en évidence des traces de carbone dans les inclusions vitreuses trouvées dans le sol orange. La découverte n'avait été possible auparavant car les instruments des générations précédentes n'avaient pas la sensibilité suffisante.

Alberto Saal et ses collègues ont introduit les abondances de carbone mesurées dans des modèles de génération des magmas inspirés de ceux mis au point sur Terre pour étudier et prédire ce qui se passe dans le manteau. Il suffisait de les adapter aux conditions régnant dans le manteau lunaire. Il est alors apparu que c'est le monoxyde de carbone, CO donc, et pas le CO2, qui devait être le gaz responsable de l'activité éruptive des fontaines de lave lunaires. En revanche, aucune trace d'un rôle qu'aurait joué la vapeur d'eau n'a encore été mise en évidence.

Un échantillon de sol orange lunaire examiné au microscope. Les sélénologues pensent qu'il provient d'une éruption explosive, avec écoulement de fontaines de lave, qui s'est produite il y a 3,64 milliards d'années. On voit ici un cristal d'olivine contenant des inclusions de verre volcanique. © Saal lab/Brown University