Du silicium dans le noyau terrestre ?

1. Du silicium dans le noyau terrestre ? Caroline Fitoussi ENS Lyon, Laboratoire de Géologie de Lyon

2. Accrétion dans le disque protoplanétaire

3. Des témoins de l‘histoire précoce du système solaire: les chondrites Météorites Non-différenciées Différenciées Chondrites Ordinaires Carbonées Enstatite

4. Différenciées Non-différenciées Chondrites

5. La structure de la Terre Région accessible à l‘échantillonnage 67.5% (wt) 32.5% (wt)

6. Notion de boîte - En géochimie, on utilise le concept de boîte. - Une boîte correspond à un réservoir que l’on peut identifier d’un point de vue géochimique et qui échange une certaine masse avec d’autres réservoirs. - L’océan, l’atmosphère, le noyau, le manteau, ou encore la croûte d’une planète peuvent être considérées comme des boîtes. - Une boîte peut être subdivisée en boîtes plus petites si nécessaire: par exemple, la boîte manteau peut contenir les boîtes manteau inférieur et manteau supérieur.

7. Bilan de masse • - Uneboîteestcaractérisée par samasse M et saconcentrationCi en élément i • - Pourtraîter le problème de la compositiond’uncorpsdifférencié, on utilise des équations de bilan de masse en utilisantuneloi de conservation de masse de la forme: • CiTerre Globale = CiBSE × fBSE + Cinoyau × fnoyau • Comment déterminer la composition du BSE ? • Quelle compositionpour la Terre Globale ? • Note: BSE=Bulk Silicate Earth=Terre Globale Silicatée

8. Détermination de la composition du BSE Péridotite mantellique (Kilbourne Hole)

9. Composition du manteau terrestre primitif (BSE)… O’Neill & Palme 1998

10. … à partir des péridotites les plus fertiles O’Neill & Palme 1998

11. Choix de la composition globale ?

12. Propriétés géochimiques des éléments

13. Caractère volatile des éléments Palme 2000

14. Composition du manteau terrestre primitif comparé aux chondrites en éléments réfractaires lithophiles Palme & O’Neill 2007

15. Mg et Si ne sont pas des éléments réfractaires! Palme 2000

16. Le rapport Mg/Si dans les chondrites Jagoutz et al., 1979

17. Fractionnements élémentaire et isotopique dans la nébuleuse solaire affectant les compositions des chondrites Processus dans la nébuleuse solaire: - Evaporation partielle - Condensation partielle

18. L’évaporation est une réaction entre un gaz et un solide qui se produit si la pression de vapeur est inférieure à la pression de vapeur saturante. Physique de l’évaporation J evap J cond surface solide

19. Dans le vide, on a une « évaporation libre ». On peut montrer que le flux d’évaporation par unité de surface d’un solide suit la loi suivante: où mi est la masse de l’élément i, Pisat la pression de vapeur saturante, T la température, et i le coefficient d’évaporation de l’espèce i. Evaporation à partir d’un solide

20. Pendant l’évaporation, les isotopes légers sont perdus préférentiellement pour la phase gazeuse. La phase solide s’enrichit en isotopes lourds. Effet cinétique d’une évaporation

21. La cinétique d’évaporation n’est pas identique pour les différents isotopes. On suppose qu’ils ne différent que par leur masse. Le rapport des flux est égal à : Fractionnement isotopique associé à l’évaporation

22. Si on suppose: Que les coefficients d’évaporation des isotopes d’un même éléments sont identiques Que le rapport des pressions de vapeur saturante pour les deux isotopes est égal au rapport isotopique à la surface du solide, on en déduit: Ici on considère qu’il n’y a pas de fractionnement à l’équilibre. Fractionnement isotopique associé à l’évaporation

23. Fractionnement isotopique associé à l’évaporation Le rapport isotopique du résidu au cours d’une évaporation libre suit une loi de fractionnement Rayleigh selon: où R est le rapport isotopique dans le résidu R0 le rapport isotopique initial dans le solide f1 la fraction restante de l’isotope 1 dans le résidu a le facteur de fractionnement cinétique gaz-solide athéorique=

24. Wang et al. 2001

25. Quand on a une réaction inverse, on peut montrer qu’il suffit de changer le coefficient de fractionnement: Ce qui veut dire que le fractionnement diminue quand on se rapproche de la pression d’équilibre (pression de vapeur saturante). Effet de la réaction inverse

26. Fractionnement isotopique associé à l’évaporation Davis 2003

27. Le potassium a trois isotopes (39K, 40K et 41K). Il est volatil et lithophile. On note Isotopes du K

28. Fractionnement cinétique prédit vs mesuré Humayun, 1995 Les compositions isotopiques en K dans les différentes classes de chondrites sont identiques entre elles et à celle de la Terre Fractionnement élémentaire mais pas de fractionnement isotopique Evaporation dans un milieu où la pression partielle était élevée

29. Composition isotopique en Si des chondrites CC OC EC Fitoussi et al. 2009 Corrélation entre les compositions isotopique et élémentaire

30. Effet d’un condensation ou d’une évaporation sur les isotopes du Si On suit la composition des solides: Évaporation de SiOg 30Si Chondrite CI Condensation d’un gaz de SiO Mg/Si

31. Composition isotopique en Si des chondrites CC OC EC Fitoussi et al. 2009 Condensation d’un gaz de SiO selon: Mg2SiO4 + SiO(g) + H2O = 2MgSiO3 + H2

32. Le rapport Mg/Si dans les échantillons terrestres Jagoutz et al., 1979

33. Fractionnement isotopique par processus magmatique? Savage et al. 2010 Fitoussi et al., 2009 Pas de fractionnement en Si induit par processus magmatique

34. Le rapport Mg/Si de la Terre Silicatée est superchondritique! Jagoutz et al., 1979

35. - Le manteau est hétérogène avec un réservoir caractérisé par un rapport Mg/Si faible. - La Terre est non-chondritique Une perte en éléments volatils peut expliquer le rapport Mg/Si élevé de la Terre. Explications possibles

36. Composition du manteau terrestre primitif comparé aux CI en éléments lithophiles Par rapport aux chondrites carbonées, la Terre possède un appauvrissement en éléments volatils

37. - Le manteau est hétérogène avec un réservoir caractérisé par un rapport Mg/Si faible. - La Terre est non-chondritique Une perte en éléments volatils peut expliquer le rapport Mg/Si élevé de la Terre. - Le silicium est présent dans le noyau terrestre. Explications possibles

38. Péridotites Chondrites Jagoutz et al., 1979 Rapport Mg/Si super-chondritique du manteau terrestre 7% Si dans le noyau ?

39. Malavergne et al., 2004 Gessmann et al., 2001 De quoi dépend l‘incorporation du Silicium dans le noyau terrestre? Pendant la ségrégation du noyau, la quantité de silicium dépend de la solubilité du Si Dans la phase métal: = f(P, T, fO2) Du Silicium dans le noyau ? Oui, si les conditions {P, T, fO2} de formation du noyau ont été telles que le Silicium était sidérophile. T=2000 à 2200°C

40. Si dans le noyau manteau enrichi en isotopes lourds Mg228SiO4 + Fe30Si Mg230SiO4 + Fe28Si ou perovskite ou perovskite Qu‘en est-il des isotopes du Si ? • Y a-t-il un fractionnement associé à la ségrégation métal-silicate ? • Est-ce mesurable? silicate Roche totale d29Si métal emétal-silicateSi ~ f(T) d30Si Haute précision nécessaire pour couvrir une large gamme de T

41. DBSE-CC30Si=0.2 ‰ Premières compositions isotopiques en Si dans les météorites et péridotites Georg et al., Nature, 2007

42. Deuxième jeu de données de compositions isotopiques en Si dans les météorites et péridotites 1SD DBSE-CC30Si = 0.2 ‰ (Georg et al., 2007) DBSE-CC30Si = 0.08 ‰ (Fitoussi et al. 2009) Implications sur la différence d30SiBSE – d30SiCC = DBSE-CC30Si & sur les compositions isotopiques absolues

43. d30SiBSE – d30SiCC = DBSE-CC30Si > 0 • Existence d’un fractionnement isotopique positif en Si entre Terre silicatée(BSE) • et chondrites. • Absence de fractionnement isotopique entre BSE et chondrites en: • - Li (Magna et al. 2006) • - K (Humayun and Clayton 1995) • - Fe (Schoenberg and von Blanckenburg 2006)

44. d30SiBSE – d30SiCC = DBSE-CC30Si > 0 • Existence d’un fractionnement isotopique positif en Si entre Terre silicatée(BSE) • et chondrites. • Absence de fractionnement isotopique entre BSE et chondrites en: • - Li (Magna et al. 2006) • - K (Humayun and Clayton 1995) • - Fe (Schoenberg and von Blanckenburg 2006) Humayun, 1995

45. Absence de fractionnement isotopique entre BSE et chondrites en Li, K, Fe qui sont plus volatils que Si DBSE-CC30Si > 0 n’est pas dû à un processus de volatilisation du Si Preuve de l’existence de Si dans le noyau terrestre

46. Modèles de formation de noyau terrestre et D30Si D30SiBSE-CC = d30Si(BSE) - d30Si (chondrites carbonées)

47. Modèle de formation du noyau à un stade à hautes P&T 6.3 wt% Fe 21.2 wt% Si, 30GPa, T=3000K, log fO2=IW-2 Fe, Ni 7 wt%Si, traces

48. Facteur de fractionnement isotopique en Si entre silicate et métal en fonction de la température Ziegler et al., 2010, Shahar et al., 2009 et 2011

49. Températures d‘équilibration métal-silicate correspondant aux fractionnements isotopiques mesurés Georg et al. 2007 Fitoussi et al. 2009 Modèle à 1 stade lors de la formation du noyau terrestre : Teq métal-silicate ~3000 K (e.g. Corgne et al., 2008)

50. D30SiBSE-CC = 0.2 ‰ océan magmatique froid! Solidus et liquidus du manteau terrestre (Andrault et al. 2011)