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Des réservoirs de gaz rares dans le manteau de la Terre ?

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L'origine de l'eau ou de l'atmosphère de la Terre sont des casse-tête bien connus de géochimie. La résolution de ces problèmes passe par une compréhension fine du dégazage du manteau de la Terre. Une équipe de chercheurs vient de proposer une nouvelle hypothèse prédisant la persistance d'importants réservoirs de gaz rares.

A gauche sur ce schéma, la formation d'une zone piégée dans la manteau pendant l'archéen. Dans cette zone, des roches lourdes enrichies en gaz rares se forment et plongent ensuite vers le noyau, limitant la remontée en surface de 50% des réserves initiales en gaz rares du manteau. A droite, la situation actuelle, où une partie du gaz contenu dans le réservoir de roches caché (en violet) remonte à la surface au niveau des points chauds. Crédit Nature

Dans cette usine chimique complexe qu'est la Terre, de multiples interactions existent côté extérieur, entre océans et atmosphère, mais aussi à l'intérieur. La sismologie, en particulier, enseigne que notre planète est formée de plusieurs structures différant par leurs compositions chimiques, les conditions de températures et les pressions. Cet ensemble conduit à des phénomènes physiques et chimiques riches. C'est ainsi que le noyau est composé de nickel et de fer, pour l'essentiel, avec une graine solide entourée d'un liquide en convection turbulente générant un champ magnétique.

Au-dessus du noyau et sous la croûte se trouve le manteau, lui-même en convection. S'y produisent des processus de fusions partielles générateurs des magmas. Des panaches de matières chaudes remontent en surface et sont à l'origine de plusieurs îles volcaniques. Ces mouvements et ces phénomènes au sein du manteau sont à l'origine de la tectonique des plaques et injectent des gaz dans l'atmosphère.

Cette structure complexe s'est mise en place rapidement lors de la différentiation de la planète, moins de cent millions d'années après sa formation. On sait aussi que la Terre est le résultat de l'accrétion de météorites et de petits corps célestes lors de la formation du Système solaire. On a donc une certaine idée de la composition chimique initiale de la planète et on la complète à partir de l'étude des roches et des gaz collectés en surface.

Nous savons que le manteau est chaud et que des mouvements de convection s'y produisent, par toujours très bien compris. On a de bonnes raisons de penser que pendant la période primitive de la Terre, appelée hadéen, une partie du manteau était en fusion. Même après la disparition de cet océan de magma, d'importantes quantités de roches partiellement fondues ont dû persister dans le manteau pendant l'hadéen et jusqu'au début de l'archéen, car le manteau terrestre était plus chaud qu'aujourd'hui et également plus convectif.

Le magma perçant la croûte terrestre libère du gaz et donne la lave des volcans, comme ici à Hawaï. Crédit : U. S. Geological Survey, Jim Griggs

Des gaz rares piégés dans des roches cristallisées sous le manteau

Appliquées aux roches du manteau de cette époque, les lois de la thermochimie montrent que certains éléments, comme les gaz rares (argon et hélium) et d'autres (uranium, thorium...), ont dû se concentrer dans le liquide généré par la fusion partielle des roches remontées en direction de la croûte par les mouvements de convection.

On en déduisait que non seulement les éléments radioactifs ont eu tendance à se concentrer dans la croûte mais aussi que les gaz rares ont pour l'essentiel été injectés dans l'atmosphère par les éruptions volcaniques. Les mesures ont effectivement montré que le manteau était très appauvri en ces éléments. Mais elles ont aussi montré que la moitié seulement des réserves initiales dans le manteau se retrouvaient dans l'atmosphère. Où se trouvait donc la partie manquante ?

Le problème est ancien et les chercheurs avaient postulé que, d'une façon ou d'un autre, il devait exister des réserves cachées dans le manteau. Une façon de l'expliquer est de postuler que seul le manteau supérieur est dans un état de convection ou, au moins, qu'il existe deux couches qui ne se mélangent pas. Or, pour les géophysiciens, cela ne fait pas de doute, tout le manteau est dans un état de convection, et ne comprend qu'une seule couche. Mettre d'accord géochimistes et géophysiciens sur ce problème n'est pas facile et plusieurs modèles ont été proposés.

Dans ce cadre, un article qui vient d'être publié par Nature est intéressant. Les chercheurs suggèrent qu'il y a 3,5 milliards d'années, au début de l'archéen donc, les conditions de températures et de pressions, c'est-à-dire un manteau plus chaud, ont conduit à un phénomène curieux vers 400 kilomètres de profondeur.

Le liquide résultant de la fusion partielle du manteau et enrichi en gaz rare serait devenu plus dense que les roches environnantes. Ainsi, bien que le manteau rocheux solide soit en convection, le liquide enrichi et lourd aurait cristallisé pour donner des matériaux qui auraient ensuite plongé en direction du cœur de la planète où il se serait accumulé à la base du manteau inférieur, juste au-dessus du noyau. Voilà où et comment se cacherait le réservoir de gaz rares du manteau.

Selon les chercheurs à l'origine de cette idée, comme Cin-Ty Lee de l'Université de Rice, il devrait être possible de tester cette hypothèse à l'aide de la sismologie et peut-être de la relier à certaines anomalies déjà découvertes à la base du manteau.

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