Pas d'océan-caché dans le noyau terrestre !
Publié par Adrien le 16/03/2018 à 00:00
Source: CNRS-INSU
Déterminer la composition chimique du noyau terrestre est un grand défi que les scientifiques essaient de relever depuis plusieurs décennies. En particulier, la teneur du noyau en hydrogène (élément considéré comme sidérophile) reste très incertaine. Des chercheurs issus de trois laboratoires français ont étudié le comportement de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), et notamment mesuré son partage entre l'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) métallique riche en 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 le plus courant dans la vie quotidienne,...) et le silicate, en recréant en laboratoire les conditions ayant régné lors de la formation du noyau terrestre (haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) et quantités raisonnables d'eau) à l'aide de la presse multi-enclume du LMV. Il s'avère que l'hydrogène se comporte comme un élément lithophile (il préfère rester dans la partie silicatée) et que seule une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) infime d'hydrogène incorpore le noyau des planètes telluriques lors de la ségrégation noyau-manteau, un comportement qui favorise la formation précoce d'un manteau et d'une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) riches en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).


A droite, image de microscopie électronique à balayage montrant un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) préparé à 5 GPa et 2000 °C. L'hydrogène intègre préférentiellement le silicate (matrice grise) lors de la mise en équilibre avec le 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 sont un des...) (billes claires). Par conséquence, une quantité très faible d'hydrogène, avec un maximum estimé à 70 ppm, devrait intégrer le noyau lors de la ségrégation noyau-manteau dans les planètes telluriques.
Les planètes telluriques, telles que 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...) et Mars, sont différenciées: elles possèdent en leur centre un noyau métallique composé essentiellement de Fer. Il est entouré d'un manteau rocheux (silicaté). Ce noyau s'est formé dans les premiers millions d'années de l'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres...), lorsque ces planètes étaient encore très chaudes et couvertes par un océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence...) magmatique de plusieurs centaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) de profondeur. Dans cet océan magmatique, les particules de métal plus denses ont naturellement ségrégées pour former le noyau. Au cours de sa descente, le métal s'est équilibré avec les silicates liquides et a incorporé un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'éléments légers, tels que l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), le soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.), ainsi que potentiellement l'hydrogène. A ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et...), l'abondance des différents éléments légers dans les noyaux planétaires restent méconnue.

Pour étudier le comportement de l'hydrogène, les chercheurs ont recréé expérimentalement les conditions de formation du noyau à haute pression et à haute température. Les concentrations en hydrogène dans le silicate et dans le métal ont été déterminées avec précision à l'aide d'une microsonde nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) en utilisant la technique ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis). Dans les silicates, ces analyses ont été confirmées par la spectroscopie infra-rouge (FTIR - Fourier Transform Infra-Red Spectroscopy). Les analyses montrent que l'hydrogène est moins siderophile que d'autres éléments légers comme le silicium, l'oxygène, le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) ou le soufre. Le partage de l'hydrogène entre les phases métal et silicate (DH = poids% dans le métal / poids% dans le silicate) est compris entre 10-2 et 8×10-1, en net contraste avec les résultats antérieurs montrant un DH d'environ 10. L'explication de cette différence réside dans le fait que cette nouvelle étude a été réalisée avec des teneurs en H2O bien plus représentatives de la formation des noyaux planétaires que les études antérieures, et pour des alliages de fer contenant les éléments légers importants dans les noyaux planétaires.

En se basant sur les teneurs en hydrogène les plus élevées des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) météoritiques ayant participés à l'accrétion terrestre, cette étude conclue que la concentration en hydrogène dans le noyau doit être inférieure à 70 ppm. De ce fait, le manteau contient l'essentiel de l'hydrogène disponible après la ségrégation du noyau. Cet hydrogène est alors inclus dans le magma et peut éventuellement être relâché en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) pour la formation d'une atmosphère riche en H2 ou H2O.
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