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Il est possible de poser des contraintes sur la composition de la Terre en estimant sa densité et son moment d'inertieinertie. Ce dernier influence le comportement de sa rotation, aussi bien au niveau de sa vitessevitesse que de la position et l'orientation de son axe de rotation. Il est aussi possible d'affiner les modèles de l'intérieur de la Terre en utilisant les données de la sismologie puisque les types et les caractéristiques des ondes qui s'y propagent dépendent de la composition et de la structure minéralogique des matériaux qui s'y trouvent. De cette manière, on a ainsi fait la découverte du noyau et de la graine de notre planète et l'on a pu avancer l'idée qu'ils étaient constitués de ferfer et de nickelnickel.
Toutefois, le noyau s'est avéré trop léger pour n'être qu'un simple alliagealliage de ces deux métauxmétaux. En employant les ressources de la géochimie et de la physiquephysique du solidesolide, les scientifiques en ont déduit qu'il devait aussi contenir quelques éléments de plus qui pouvaient être de l'oxygène, du carbone, du siliciumsilicium et même du soufresoufre. Un groupe international de géochimistes, parmi lequel se trouvent Frédéric Moynier (Institut de Physique du Globe, Paris) et Paul Savage (Département des Sciences de la Terre, université de Durham, Royaume-Uni), vient de fournir une nouvelle pièce au puzzle dans un article publié dans Geochemical Perspectives Letters.
La géochimie isotopique, une clé de l'histoire de la Terre
La géochimie des isotopesisotopes est une puissante discipline des Sciences de la Terre qui permet de retracer les événements de son histoire. Elle fait partie d'une discipline plus large, la cosmochimie, qui permet de relier la formation et l'évolution de la Terre à celles des étoilesétoiles et surtout du Système solaireSystème solaire, avec son disque protoplanétairedisque protoplanétaire et ses collisions entre corps célestes.
Dans le cadre de la théorie de l'accrétionaccrétion, la Terre s'est largement formée à partir de collisions de corps dont la composition chimique est proche de celle mesurée dans les chondriteschondrites, une classe qui regroupe l'essentiel des météoritesmétéorites qui tombent sur Terre. Une autre classe importante est formée par des météorites constituées essentiellement de fer et de nickel. Celles-ci sont justement censées être représentatives de la nature du noyau de la Terrenoyau de la Terre.
La météorite Gibeon, une sidérite octaédrite classée IV A, a été trouvée en Namibie en 1836. La belle structure de ses figures de Widmanstätten et son excellent état de conservation en font la météorite la plus utilisée en bijouterie. Pour les géologues, elle donne surtout de précieux indices sur l'aspect du noyau en fer et en nickel de la Terre. © L. Carion, carionmineraux.com
On a toutes les raisons de penser que la Terre s'est constituée à partir d'un matériaumatériau chondritique mais que, sous l'action de la chaleurchaleur accumulée et de la gravitégravité, les éléments lourds contenus dans ce matériau ont plongé au centre de la Terre. Les éléments légers seraient quant à eux remontés vers la surface pour former la croûtecroûte, laissant un manteau appauvri en ces éléments. Le même processus, dit de différentiationdifférentiation, se serait produit pour des petites planètespetites planètes détruites depuis longtemps par des collisions. C'est pour cette raison que des échantillons de leurs noyaux, formés de fer et de nickel, nous parviennent aujourd'hui sous forme de météorites.
8,5 milliards de milliards de tonnes de soufre
Il n'est pas possible d'obtenir des échantillons du noyau de la Terre, qui se trouve à plusieurs milliers de kilomètres de profondeur et dont la température atteint environ 6.000 kelvinskelvins en son centre. Il n'est donc pas possible d'apporter une preuve directe concernant les modèles décrivant sa composition ni de les faire avancer à partir d'échantillons. Cela n'a pourtant pas empêché Moynier, Savage et leurs collègues d'aboutir à la conclusion que le noyau de la Terre devait contenir 8,5 1018 tonnes de soufre, soit dix fois plus que dans le reste de l'intérieur de notre planète. Une quantité qui équivaut en fait à 10 % de la massemasse de la LuneLune.
Pour aboutir à cette conclusion étonnante, les chercheurs se sont basés sur les rapports d'abondance d'isotopes du cuivrecuivre, à savoir 65Cu et 63Cu. Ces rapports sont mesurables dans les chondrites ainsi que dans les laves et les échantillons de roche du manteau que des processus magmatiques amènent en surface. Il est donc possible d'estimer ces abondances dans le manteau terrestre dont on a toutes les raisons de penser qu'il dérive d'un matériau chondritique initial.
La collision de Théia avec la Terre aurait engendré la création de la Lune. © Fahad Sulehria, vue d'artiste
Or, si l'on suppose que la Terre est entrée en collision avec un petit corps de la taille de Mars baptisé Théia, quelques dizaines de millions d'années après sa naissance et lorsqu'elle était déjà différentiée, la chaleur apportée par l'impact aurait largement fondu le manteau de la Terre, permettant a du liquideliquide magmatique riche en soufre de plonger vers le cœur de la Terre.
Certains isotopes du cuivre sont particulièrement chalcophilechalcophile, c'est-à-dire qu'ils aiment se trouver associés à des atomesatomes de soufre. Si ThéiaThéia est bien entrée en collision avec la Terre, le manteau de notre planète devrait donc être appauvri en certains de ces isotopes, ce qui devrait se voir en comparant les rapports d'abondance de ces isotopes avec ceux des chondrites.
Tel est bien le cas. Mais, pour consolider leur argumentaire, les chercheurs ont aussi fait des expériences en laboratoire pour reproduire les conditions de température et de pressionpression régnant dans le manteau. Elles confirment le scénario de la formation d'un liquide riche en soufre plongeant en direction du centre de la Terre.
Les géochimistes ont donc fait coup double. Non seulement ils ont confirmé le scénario standard pour expliquer l'origine de la Lune à partir de la collision entre Théia et la Terre mais ils ont montré qu'une énorme quantité de soufre a dû migrer du manteau vers le noyau de notre planète.
