Évidence de la croissance de la graine dans la source des panaches mantelliques ?
Publié par Redbran le 28/06/2019 à 14:00
Source: CNRS-INSU
L'importance des interactions physicochimiques à l'interface entre le noyau et le manteau reste la grande inconnue de la dynamique interne de notre planète, et peu d'arguments existent pour préciser la nature de ces échanges au cours de l'histoire de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). Un équipe internationale de chercheurs, proposent que les échanges entre le noyau et le manteau se sont accrus entre 2.5 milliards d'années et aujourd'hui. Ils observent en effet une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...) différence dans l'abondance d'un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans...) de tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de l'allemand Wolfram) et de numéro atomique 74.), un traceur idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon...) de potentiels "fuites" du noyau, dans des roches dérivées du manteau avant et après cette date. Cette évolution pourrait être associée à l'instauration progressive de la tectonique des plaques (La tectonique des plaques (d'abord appelée dérive des continents) est le modèle actuel du fonctionnement interne de la Terre. Elle est l'expression en surface de la convection qui se déroule dans le manteau terrestre.) et la subduction (La subduction est le processus d'enfoncement d'une plaque tectonique sous une autre plaque de densité plus faible, en général une plaque océanique sous une plaque continentale ou sous une plaque océanique plus récente.) du matériel relativement oxydée dans les profondeurs du manteau. Mais l'hypothèse la plus séduisante est la cristallisation de la graine (Dans le cycle de vie des « plantes à graines », la graine est la structure qui contient et protège l'embryon végétal. Elle est souvent contenue dans un...) qui, en rejetant de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans le noyau externe liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), aurait ainsi induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) le rejet du tungstène dans le manteau. Ainsi, les mesures isotopiques du tungstène permettraient de contraindre l'âge d'apparition de la graine.


Un changement de l'état d'oxydation à la frontière entre le noyau et le manteau peut être induit par la subduction de croute océanique oxydée ou par cristallisation de la graine. Dans les deux cas, cela provoque le rejet de tungstène primordial vers la base du manteau, par une diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation »...) au niveau du manteau solide, des zones de manteau partiellement fondues ou par exsolution d'oxydes.

Certaines îles océaniques sont associées à des panaches mantelliques provenant du manteau très profond. Les basaltes de leurs volcans sont donc d'excellents candidats pour révéler les éventuelles interactions chimiques entre la base du manteau et le noyau. D'ailleurs, les isotopes de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau...) et de l'osmium et les rapports élémentaires du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique...) et du manganèse ont déjà été utilisés pour discuter ce type d'échange. Mais il existe de forts contre-arguments basés sur d'autres éléments, en particulier les éléments sidérophiles (largement concentrés dans le noyau), qui sont des témoins importants de ces interactions.

La nouvelle étude présentée ici est basée sur l'étude du comportement du tungstène. Cet élément est sidérophile dans les conditions réductrices de la formation de la Terre et on estime ainsi que 90% du tungstène terrestre réside dans le noyau. Pourtant, l'isotope 182W du tungstène a continué à être produit dans le manteau par désintégration radioactive de l'isotope 182Hf de le hafnium au cours des 50 premiers millions d'années du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit,...). La mesure isotopique de l'abondance du 182W dans les basaltes des iles océaniques peut donc permettre de tracer les interactions noyau-manteau.

Par chance, le comportement du tungstène diffère de celui de beaucoup d'éléments sidérophiles, du fait de sa très forte charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) (4+ ou 6+) dans les silicates. Des expériences antérieures du partage du tungstène entre métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux...) et silicate liquides ont montré que le tungstène n'est plus sidérophile dans des conditions oxydantes (par exemple, lors de la coexistence de Fe et FeO) et il se concentre alors préférentiellement dans les silicates du manteau. En plus d'être un traceur potentiel des interactions noyau manteau, le tungstène a donc un comportement très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une...) en fonction de l'état d'oxydation à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) noyau-manteau.

Alors que les roches anciennes possèdent des excès en 182W, les roches modernes associées à des panaches mantelliques montrent un déficit dans cet isotope. En mettant en évidence une claire différence entre l'abondance du 182W dans les roches mantelliques anciennes (4.3 à 2.5 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent...) d'années) et les basaltes d'iles océaniques récentes, les auteurs de cet article montrent l'intensification, depuis 2.5 milliards d'années, des échanges entre noyau et manteau. L'absence de corrélation entre les variations en 182W et la concentration des éléments hautement sidérophiles (e.g. Ir, Os, Pt, etc.) suggèrent une modification de l'état d'oxydation à la base du manteau ou dans le noyau externe.

A cette époque, la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de la Terre profonde a été affectée par deux évènements majeurs: l'instauration progressive de la tectonique (La tectonique (du grec « τ?κτων » ou « tekt?n » signifiant batisseur, charpentier) est l'étude des...) des plaques et la cristallisation de la graine dont l'âge d'apparition est source de vives controverses. Ces deux évolutions ont pu contribuer à rendre plus oxydante l'interface noyau-manteau.

Néanmoins, c'est la cristallisation de la graine qui expliquerait le plus simplement le rejet de tungstène primordial vers la base du manteau. En effet, le fer cristallin présent dans le noyau interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée...) ne peut pas intégrer les 3 à 5 pourcents d'oxygène qui sont présent dans le noyau liquide externe. Ainsi, la cristallisation de la graine provoque une augmentation de la concentration en oxygène dans le noyau externe et donc le rejet de tungstène primordial dans le manteau inférieur. Les auteurs concluent que les évolutions temporelles de la composition isotopique en tungstène dans les basaltes des îles océaniques pourraient permettre de dater la croissance de la graine.

Références publication:
H. Rizo, D. Andrault, N.R. Bennett, M. Humayun, A. Brandon, I. Vlastelic, B. Moine, A. Poirier, M.A. Bouhifd, D.T. Murphy. 182W evidence for core-mantle interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée...) in the source of mantle plumes Geochemical Perspective letters (2019) doi: 10.7185/geochemlet.1917

Notes:
Incluant des chercheurs de laboratoires étrangers, dont le Department of Earth Sciences à Carleton University (Carleton-Ottawa, Canada) et français, le Laboratoire Magmas et Volcans (LMV / OPGC, UCA / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / IRD / UJM)
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