La Terre contient un noyau constitué principalement de fer et on explique la formation selon un scénario faisant intervenir l'équivalent de la percolation de l'eau à travers le café en poudre lorsqu'on prépare un expresso. Ce principe possède quelques difficultés que l'on peut tenter de résoudre en faisant des expériences à hautes pressions en laboratoire. Deux chercheurs viennent de conforter de cette manière le scénario de percolation.


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    Homo sapiensHomo sapiens s'est interrogé depuis des millénaires sur la formation de la Terre mais il a fallu attendre le XXe siècle pour que les mythes cosmogoniques laissent définitivement la place à la Science qui nous a appris que notre Planète bleuePlanète bleue était le résultat de l'accrétionaccrétion de matièrematière sous forme de petits corps célestes, nés dans un disque protoplanétairedisque protoplanétaire entourant un jeune SoleilSoleil il y a 4,56 milliards d'années.

    Tout n'est pas parfaitement et complètement compris dans ce processus de naissance faisant intervenir aussi bien les lois de la physiquephysique que celle de la chimiechimie, plus précisément celles de la cosmo et de la géochimie. Mais les progrès sont constants, comme le prouve un article publié dans Science Advances par deux chercheurs travaillant pour la célèbre Carnegie Institution de Washington, une fondation de recherche scientifique fondée en 1902 par Andrew Carnegie.

    Comme plusieurs de leurs collègues géochimistes et géophysiciens avant eux, Yingwei Fei et LinLin Wang ont reconstitué partiellement en laboratoire ce que l'on appelle le processus de différenciation de la Terre et ils ont pu préciser le modèle de percolation inspiré par celui du passage de l'eau à travers le café moulu quand on prépare un expresso.

    Une coupe de la météorite Gibeon, une sidérite octaédrite classée IV A, 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. Elle est surtout très précieuse pour les géologues car elle donne des indices sur l'aspect du noyau en fer et en nickel de la Terre. Ces météorites pourraient être des vestiges des noyaux de petites planètes. © L. Carion, carionmineraux.com
    Une coupe de la météorite Gibeon, une sidérite octaédrite classée IV A, 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. Elle est surtout très précieuse pour les géologues car elle donne des indices sur l'aspect du noyau en fer et en nickel de la Terre. Ces météorites pourraient être des vestiges des noyaux de petites planètes. © L. Carion, carionmineraux.com

    Selon le modèle de formation de la Terre, même si tous les petits corps célestes qui sont entrés en collision avec la protoTerre et qui ont contribué à sa croissance n'avaient pas tous la même composition, au final, la Terre qui en a résulté devrait présenter une composition relativement homogène. Or, ce n'est pas du tout l'image de la Terre actuelle que les informations géophysiques, déduites par exemple de la sismologie par les géophysiciens allemands Emil Wiechert (1861-1928) et Beno Gutenberg (1889-1960), ont permis d'établir. On sait ainsi que la Terre possède un noyau métallique formé pour l'essentiel de ferfer et de nickelnickel, que recouvrent un manteaumanteau puis une croûtecroûte riches en silicates.

    Mais comment cette différenciation planétaire s'est-elle mise en place ? Une hypothèse a été avancée depuis des décennies ; bien que très plausible, elle fait encore l'objet de travaux pour en établir solidement la validité.

    Ce schéma illustre la théorie proposée pour rendre compte de la formation du noyau métallique de la Terre (<em>Core</em>, en anglais sur le schéma), composé de fer et de nickel. Tout comme les noyaux métalliques des autres planètes rocheuses, il se serait formé parce que le métal fondu (<em>Metallic Melt</em>) piégé entre les grains de silicates (<em>Silicate Crystal</em>) aurait percolé, allant jusqu'au centre de la Planète au début de sa formation. © <em>UT Austin</em>
    Ce schéma illustre la théorie proposée pour rendre compte de la formation du noyau métallique de la Terre (Core, en anglais sur le schéma), composé de fer et de nickel. Tout comme les noyaux métalliques des autres planètes rocheuses, il se serait formé parce que le métal fondu (Metallic Melt) piégé entre les grains de silicates (Silicate Crystal) aurait percolé, allant jusqu'au centre de la Planète au début de sa formation. © UT Austin

    Une Terre formée par des chondrites à enstatite et qui fond partiellement

    Le volcanisme est là pour nous rappeler que notre Planète est un astreastre chaud et que du magma se forme dans son manteau par fusion partiellefusion partielle. On pense donc que le fer et le nickel contenus dans les roches primitives formant la Terre et issues de la matière apportée par le bombardement initial de météoritesmétéorites et d'astéroïdesastéroïdes auraient ainsi fondu et chuté en quelques dizaines de millions d'années seulement vers le centre de la Terre en percolant à travers les roches de ce qui allait devenir son manteau, sous l'effet de la gravitégravité.

    Un des arguments à l'appui de ce scénario est le suivant. Environ 80 % des météorites trouvées sur Terre sont des chondriteschondrites. Les autres sont des sidéritessidérites (elles sont constituées de fer presque pur avec du nickel) et des achondritesachondrites, lesquelles sont proches des roches plutoniquesroches plutoniques et volcaniques. La composition chimique moyenne des chondrites est remarquablement similaire à celle de l'atmosphèreatmosphère du Soleil, d'où l'hypothèse que ces météorites proviennent du même matériaumatériau à l'origine de notre ÉtoileÉtoile.

    Au début des années 1950, le grand chimiste Harold Urey a classé les chondrites en fonction de leur richesse en fer et, surtout, selon leur contenu en particules de fer ou en fer oxydé lié à des silicates, avec son élève Harmon Craig. Il s'est avéré qu'une classe particulière de chondrites, les chondrites à enstatite, était en mesure d'éclaircir le mystère de l'origine de la Terre et celui de sa structure différenciée, avec un noyau, un manteau et une croûte.

    En effet, lorsque l'on retire d'une chondrite à enstatite les particules de fer natif qu'elle contient, le résidu est chimiquement très proche des péridotitespéridotites, les roches qui constituent une large part du manteau de la Terre. Mieux : le rapport entre la proportion de fer dans une chondrite à enstatite et ce résidu silicaté est également proche du rapport entre la proportion de fer du noyau de notre Planète et son manteau silicaté.

    La météorite NWA 2993 est une achondrite particulière dans laquelle on trouve une sorte de réseau rempli de fer entre des zones rocheuses, ce qui n'est pas sans faire penser à un phénomène de percolation du fer fondu à travers une roche silicatée. © T. E. Bunch, 2008
    La météorite NWA 2993 est une achondrite particulière dans laquelle on trouve une sorte de réseau rempli de fer entre des zones rocheuses, ce qui n'est pas sans faire penser à un phénomène de percolation du fer fondu à travers une roche silicatée. © T. E. Bunch, 2008

    Du fer qui percole comme du magma en direction du centre de la Terre

    Grâce à toutes ces informations, un scénario précis a donc été proposé pour expliquer la formation du noyau de la Terrenoyau de la Terre. Cette dernière se serait donc formée initialement à partir de petits corps rocheux très similaires aux chondrites à enstatite, mais, du fait de la chaleurchaleur due à la présence d'éléments radioactifs, ce matériau a commencé à fondre partiellement et à produire un alliagealliage de fer et de nickel liquideliquide, lequel aurait percolé entre des grains rocheux (exactement comme l'eau à travers le café moulu) en chutant au centre de la Terre. L'énergieénergie gravitationnelle libérée aurait elle-même contribué à élever la température interne de la Planète.

    Yingwei Fei et Lin Wang se sont penchés sur un problème précis de ce scénario qui défie les chercheurs depuis des décennies. Les lois de la géochimie nous disent que certains éléments vont préférer se retrouver associé à du fer et d'autres non. On les appelle des sidérophilessidérophiles.

    Les ondes sismiquesondes sismiques peuvent nous renseigner précisément sur la composition chimique des roches et de la matière qu'elles traversent tout comme le son nous renseigne sur la nature de la source qui l'a émis, un piano ou un violon.

    On a donc de bonnes raisons de penser que des éléments sidérophiles comme l'oxygène, le soufre, le siliciumsilicium et le carbonecarbone, y ont été dissous par le fer en fusion percolant vers le centre de la Terre se retrouvent en petites quantités dans le noyau.

    Mais comment expliquer alors qu'il semble bel et bien y avoir encore des éléments sidérophiles dans le manteau de la Terre ?

    Yingwei Fei et Lin Wang ont donc apporté des éléments de réponse en reconstituant ce qui se passe avec des expériences à hautes pressionspressions et des températures élevées, simulant donc celles dans les profondeurs de notre Planète, mais d'une manière inédite car une nouvelle méthode d'analyse a permis de suivre les processus chimiques accompagnant la percolation.

    Cela leur a permis de montrer qu'il devait bien rester quelques éléments sidérophiles dans le manteau de la Terre. Une des clés de l'énigme a été de considérer ce qui se passait dans une roche sous pression célèbre, qui a été baptisée la bridgmanite, et dont Futura avait parlé dans un précédent article.

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