Une photo de l'astronaute John Young lors de la mission Apollo 16 où des roches des Highlands ont été collectées. © Nasa
Sciences

Un nouveau modèle de la cristallisation de l'océan de magma de la Lune

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[EN VIDÉO] La Lune comme vous ne l'avez jamais vue !  Découvrez la Lune en 4K à travers les yeux de la sonde LRO. Cette dernière, qui vient de fêter ses 10 ans, nous livre des images très détaillées de plusieurs régions de notre satellite. Ici, le cratère Tycho et les pentes de sa montagne centrale surmontée d’un rocher solitaire ; là, le vaste réseau de cratères au pôle sud, à l’intérieur du plus ancien bassin d’impact de la Lune. Un régal pour les yeux. Une balade à savourer en plein écran. 

Les roches des missions Apollo ont fourni des renseignements sur l'histoire de la Lune et la formation de sa croûte et de son manteau. Mais des données minéralogiques plus récentes, issues notamment des sondes spatiales, conduisent à modifier le scénario de la genèse de la croûte lunaire par refroidissement d'un océan magmatique global il y a plus de 4 milliards d'années.

Les missions Apollo ont révolutionné nos théories concernant l'origine de la Lune en rapportant sur Terre des échantillons de roches lunaires dont les compositions minéralogiques, chimiques et isotopiques ont fait le bonheur des cosmogonistes et des planétologues.

Dès les analyses des roches rapportées par la mission Apollo 11, les chercheurs avaient remarqué que la croûte lunaire semblait anormalement riche en des minéraux connus sur Terre sous le nom de plagioclases et qui en l'occurrence constituait largement des roches appelées des anorthosites. Les plagioclases sont une grande famille de minéraux silicatés, des tectosilicates de la famille des feldspaths, que l'on retrouve dans des basaltes océaniques et des granitoïdes de notre Planète bleue en abondance, mais pas dans les quantités de la croûte lunaire. Curieusement, dans celle-ci, des minéraux comme l'olivine et le pyroxène s'y font rares. Sur Terre, ils sont plus abondants dans sa croûte et on sait que l'olivine est le minéral dominant des péridotites, les roches constituant majoritairement le manteau. Les pyroxènes sont, eux, des composants courants des roches magmatiques et métamorphiques.

La pierre de la Genèse, échantillon d'anorthosite lunaire. Il s'agit d'une roche quasi exclusivement constituée de feldspath plagioclase. Juste après son retour sur Terre (en 1971), cette roche a été datée à -4,5 Ga, ce qui en faisait l'échantillon le plus vieux du Système solaire (hors météorites, et c'est pour cela que cet échantillon a été nommé pierre de la Genèse), et donnait à la Lune un âge supérieur ou égal à ce chiffre. Ce serait un fragment de la croûte lunaire profonde, fragment contemporain (à 1 million d'années près) de la formation de la Lune, et remonté à la surface il y a 3,9 Ga par l'impact d'Imbrium. De nouvelles datations proposent un âge plus récent (4,4 Ga, voire moins) à certains échantillons d'anorthosite, ce qui remet en question cette interprétation classique, ou qui rajeunit l'âge de la Lune et donc de l'impact de Théia. © 1971 Nasa, mission Apollo 15, commentaires de Pierre Thomas de l'ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon

Un océan de magma global

Très rapidement, les sélénologues ont expliqué les données fournies par les échantillons rocheux d’Apollo avec le modèle suivant qui sera consolidé par la thèse de l’impact géant pour expliquer l’origine de la Lune, thèse également impliquée par les roches lunaires.

Au tout début de la formation de notre satellite par accrétion, celle-ci s'est faite si rapidement que l'énergie gravitationnelle potentielle libérée (sans oublier la contribution d'éléments radioactifs présents en bien plus grande quantité à cette époque) a chauffé bien plus rapidement celui-ci qu'il n'avait le temps de se refroidir, de sorte que s'est formé un océan global de magma - pouvant atteindre une centaine de kilomètres à plus de mille kilomètres de profondeur.

En se refroidissant, certains minéraux se sont formés les premiers, ayant un point de fusion plus bas que d'autres et, selon leur densité, un tri chimique s'est effectué sous l'effet de la gravitation lunaire. Un cœur ferreux s'est donc formé entouré d'un manteau issu d'un océan magmatique dans lequel l'olivine, le pyroxène et la série de minéraux qu'ils forment ont plongé dans les profondeurs alors que, plus légers, les plagioclases des anorthosites refroidis sont montés en surface pour flotter sur l'océan et donner la croûte lunaire actuelle qui s'est solidifiée par refroidissement, là aussi comme le manteau. On estime que l'océan a existé de quelques dizaines à quelques centaines de millions d'années après la naissance de la Lune mais, tout comme sa profondeur exacte, il existe des incertitudes selon les modèles et les hypothèses envisagées, comme la composition exacte du matériau lunaire initial.

Le communiqué du Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes, environnement (LGL-TPE – CNRS / ENS de Lyon / Université Claude Bernard Lyon 1) explique que « les grandes étendues blanchâtres sur la Lune visibles à l’œil nu, les Terres Hautes ou Highlands, sont essentiellement faites de roches nommées anorthosites, constituées à plus de 90 % par un minéral léger et riche en calcium, l’anorthite. Elles ont pu être échantillonnées par la mission Apollo 11 et datées avec des âges extrêmement primitifs (4.3 – 4.5 Ga). L’anorthosite est une roche que l’on trouve dans les chambres magmatiques fossiles sur Terre et qui est issue de la cristallisation fractionnée du magma dans ces chambres. Produire un tel volume d’anorthosite sur la Lune nécessite un océan de magma global ». © USGS

Une « boue » de magma et de cristaux en convection

Une variante de ce scénario vient d'être proposée dans un article publié dans Geophysical Research Letters par deux chercheurs en géosciences, Chloé Michaut de l'École normale supérieure de Lyon et Jerome A. Neufeld de l'Université de Cambridge. 

Ils font valoir que depuis les missions Apollo, la connaissance de composition minéralogique de la Lune s'est affinée non seulement parce que l'on s'est rendu compte que certaines météorites trouvées sur Terre étaient d'origine lunaire et étendaient donc la surface d'échantillonnage de la Lune, mais aussi grâce aux données fournies par les sondes lunaires en orbite. On peut citer à cet égard les contributions des missions indiennes Chandrayaan ou Clementine de la Nasa.

Il est devenu clair que les anorthosites lunaires sont plus hétérogènes dans leur composition qu'on ne le pensait initialement, ce qui ne cadre pas avec une origine commune de ces minéraux selon un seul processus physico-chimique.

Le communiqué de l'École normale supérieure de Lyon au sujet de la publication, mise aujourd'hui en avant, explique donc que les cristaux de plagioclases ont dû rester en suspension à l'intérieur de la Lune pendant un certain temps et que la formation de la croûte lunaire n'aurait commencé que lorsqu'une teneur en cristaux critique a été atteinte.

Schéma du modèle avec une croûte eutectique, une couche stagnante avec extraction de liquides mantelliques et un manteau convectif sous la forme d'une boue cristalline. © C. Michaut, J. A. Neufeld

L'océan magmatique serait en fait resté à l'état d'une sorte de boue avec ces cristaux dans un état convectif, la faible gravité lunaire rendant la séparation cristal-liquide difficile dans un tel océan selon ce communiqué. Le refroidissement aurait fait croître le nombre de cristaux de plagioclases mais sans qu'ils se démixtent pour former deux phases distinctes tant qu'un seuil n'a pas été atteint. Mais, une fois celui-ci réalisé, il se formerait une couche stagnante dans laquelle des anorthosites différentes se seraient formées au cours du temps pendant plusieurs centaines de millions d'années par extraction d'un liquide magmatique plus léger en évolution provenant de l'océan encore convectif.

Cette explication rend compte non seulement de l'hétérogénéité des anorthosites de la croûte, mais aussi des variations d'âges qu'on leur associe.

Le communiqué de l'ENS précise finalement que : « Le magmatisme en série fut initialement proposé par d'autres auteurs comme un mécanisme possible pour la formation des anorthosites lunaires, mais de manière antagonique à l'idée d'un océan de magma lunaire. Ce modèle de boue cristalline proposé par Chloé Michaut et Jerome A. Neufeld pourrait finalement réconcilier cette idée avec celle d'un océan de magma lunaire global. »

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