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À l'Hadéen, des pluies de fer s'abattaient sur la surface de la Terre

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La « Z machine » vient peut-être de donner la clé d'une énigme concernant les abondances de fer et d'éléments sidérophiles dans le manteau de la Terre et celui de la Lune. À l'époque, le fer pouvait se vaporiser à plus basse pression qu'on ne le pensait lors des impacts accompagnant le processus d'accrétion à l'origine de notre Planète et de son satellite. Des gouttes de fer liquide issues de la condensation d'une enveloppe de fer gazeux devaient donc pleuvoir sur la surface de la Terre en formation. Ce phénomène implique qu'il faut revoir le scénario de la différenciation planétaire.

Vue d'artiste de la Terre après sa collision avec Théia. La jeune Lune est visible à droite. Les deux planètes subissaient encore un fort bombardement météoritique, ce qui explique la présence de zones couvertes de magma à leur surface. © Fahad Sulehria

Dans le cadre du scénario standard expliquant la formation de la Terre, le fer, contenu initialement dans les météorites et astéroïdes responsables du processus d'accrétion qui a fait croître sa masse rapidement, a migré vers le cœur de la Planète en quelques dizaines de millions d'années environ. Les détails et la chronologie de ce processus de différenciation planétaire qui a abouti, en moins de 60 millions d'années, à l'existence d'un noyau constitué essentiellement de fer et de nickel entouré d'un manteau très appauvri en ces éléments sont encore sujets à débats.

On s'accordait cependant sur l'idée d'une Terre primitive très chaude (en raison de l'énergie apportée par l'accrétion au début de l'Hadéen il y a 4,56 milliards d'années) et dans laquelle le fer fondu aurait migré par percolation à travers les roches silicatées. Environ 50 millions d'années après le début de la formation de la Terre, elle serait ensuite entrée en collision avec un corps céleste de la taille de la Lune, Théia. Cette petite planète devait elle aussi avoir un noyau différencié qui aurait fusionné avec celui de notre Planète. La Lune se serait ensuite formée par condensation des débris de la collision, largement vaporisés et contenant des matériaux issus aussi bien de Théia que du manteau de la Terre.

L'énigme des éléments hautement sidérophiles du manteau

Toutefois, les estimations du contenu résiduel en fer du manteau de la Terre, et surtout en éléments hautement sidérophiles (HSE, pour highly siderophile elements en anglais) entraient en contradiction avec ce scénario. Il y en avait trop, de 10 à 100 fois la valeur prédite pour les HSE. Une solution pour expliquer cette énigme consistait à faire intervenir le fameux Grand Bombardement tardif qui s'est produit il y a environ 4 milliards d'années. Les HSE primitifs, comme leur nom l'indique, auraient dû accompagner le fer lors de la différenciation de la Terre puisqu'ils ont beaucoup d'affinité avec cet élément. Mais on peut très bien imaginer qu'un apport tardif sous forme d'astéroïdes et de petits corps célestes s'est produit alors que la Terre était plus froide. Ces HSE et le fer se seraient ensuite retrouvés dans le manteau. Malheureusement, selon ce nouveau scénario, la même chose aurait dû se produire avec la Lune alors que ce n'est pas le cas.

La Z machine en plein fonctionnement. Malgré la présence d'eau déionisée pour assurer une isolation d'une partie du dispositif, des éclairs impressionnants sont produits. © Sandia Corporation

Pour résoudre cette énigme, des chercheurs du Sandia National Laboratories ont décidé d'utiliser la célèbre Z machine dont on a beaucoup parlé dans le cadre des travaux sur la fusion thermonucléaire. Avec elle, ils ont réalisé des expériences qui auraient sans doute plu aux pionniers de la physique et de la chimie des hautes pressions qu'étaient Alfred Ringwood, Francis Birch et Percy Bridgman. Les résultats de leurs travaux viennent d'être publiés dans un article de Nature Geoscience.

Soupçonnant que quelque chose n'allait pas dans l'idée que l'on se faisait du comportement du fer contenu dans des corps célestes soumis à des ondes de choc lors d'impact avec une planète, les physiciens ont cherché à vérifier quel était le point de vaporisation du fer à hautes pressions. On ne le connaissait jusqu'à présent que de façon théorique. Des plaques de fer de 5 millimètres carrés et épaisses de 200 microns ont donc été bombardées par des disques d'aluminium. Ils sont accélérés à 25 km/s grâce aux puissants champs magnétiques de la Z machine comme on sait le faire avec elle depuis plus de 10 ans pour réaliser des expériences sur le comportement des matériaux à hautes pressions. Sous l'action des ondes de choc produites par les collisions, le fer comprimé s'échauffe puis se vaporise.

Du fer qui se vaporise facilement lors d'impacts d'astéroïdes

Les chercheurs ont découvert qu'il suffisait d'atteindre des pressions de 507 gigapascals (GPa) et non pas de 887 GPa pour vaporiser le fer. Il en découle qu'il faut se faire une tout autre idée du processus d'accrétion et de différenciation de la Terre puisqu'une partie non négligeable du fer devait en fait se retrouver sous forme de gaz pendant le processus d'accrétion. Une atmosphère riche en fer gazeux devait donc entourer la Terre qui, en se refroidissant, devait donner des pluies sur la surface de notre Planète en formation. C'est ce qui expliquerait qu'une partie du fer et des HSE ne s'est pas retrouvée piégée dans son noyau. Dans le cas de la Lune, du fait de son champ de gravité plus faible, le fer s'est littéralement évaporé dans l'espace malgré l'apport du Grand Bombardement tardif.

Toutes ces considérations sont résumées par les déclarations de l'un des principaux chercheurs impliqués dans cette découverte : « Parce que les scientifiques planétologues ont toujours pensé que c'était difficile de vaporiser le fer, ils n'ont jamais envisagé que sa vaporisation constituait un processus important lors de la formation de la Terre et de son noyau. Mais avec nos expériences, nous avons montré qu'il est très facile de vaporiser le fer lors d'impacts. Cela change la façon dont nous concevons la genèse des planètes car, au lieu d'une formation directe du noyau de la Terre par du fer plongeant vers son cœur sous forme de diapirs, il apparaît que le fer se vaporisait, constituant des panaches étalés, se condensant en gouttelettes qui pleuvaient sur la surface de la Terre. Ces petites gouttelettes de fer se mélangeaient facilement au manteau, ce qui modifie notre interprétation des données géochimiques que nous utilisons pour dater la formation du noyau de la Terre ».

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