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Géodynamique chimique

Géodynamique chimique. Manuel Moreira IPGP/UP7. Les questions posées. Formation de la Terre Formation des grands réservoirs géologiques (atmosphère, cro ûte continentale, noyau, etc…) Homogénéité chimique du manteau Existence de réservoirs « primordiaux »

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Géodynamique chimique

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Presentation Transcript

  1. Géodynamique chimique Manuel Moreira IPGP/UP7

  2. Les questions posées • Formation de la Terre • Formation des grands réservoirs géologiques (atmosphère, croûte continentale, noyau, etc…) • Homogénéité chimique du manteau • Existence de réservoirs « primordiaux » • Recyclage de matériel dans le manteau

  3. L’outil: géochimie isotopique • Utilisation de la radioactivité naturelle - permet l’introduction de notion de temps • Utilisation de différents éléments chimiques aux propriétés différentes (incompatible, sidérophile, lithophile, atmophile, …) • Compréhension des phénomènes de fusion partielle, cristallisation, dégazage • Connaissance de la Terre primitive - regards sur les météorites

  4. Radioactivité naturelle • Isotope (même P, N≠): • Radioactif • Radiogénique • Stable et non radiogénique

  5. Principe général (1) • F=fils, S=stable du fils, P=père • R=F/S (rapport isotopique) • µ=P/S (rapport chimique) • R(t)=R0+µ(t)[et-1]

  6. Principe général (2) Il faut des fractionnements importants, et laisser du temps

  7. Fractionnement chimique ? • Deux éléments chimiques ont des comportements différentes lors de la fusion partielle, la cristallisation, l’altération, … • PAS de fractionnement isotopique lors de ces processus

  8. Exemples • L’extraction de la croûte continentale • Recyclage de croûte océanique • Dégazage du manteau et formation de l’atmosphère

  9. I. Extraction de la croûte continentale • Eléments lithophiles, incompatibles • Longues demi-vies Couple 87Rb/ 87Sr et 147Sm/143Nd 87Rb87Sr (T1/2=49 109 ans) 147Sm143Nd (T1/2=106 109 ans)

  10. Corrélation Sr-Nd

  11. Comportements vis a vis de la fusion partielle de Rb, Sr, Sm et Nd 1 Incompatible Compatible Rb Sr Nd Sm Rb/Sr grand dans les liquides Sm/Nd petit dans les liquides

  12. Evolution avec le temps R(t) ~ R0+µ t

  13. Extraction de la croûte continentale: âge modèle R1(t) ~ R1(actuel)-µ1t) R2(t) ~ R2(actuel)-µ2t) R1()=R2() •  )=[R1- R2]/[(µ1- µ2)] A.N.  )=1.9 Ga (Sr)

  14. Masse de manteau appauvri • Rp=aRDM+(1-a)Rc • Où a est la proportion de mélange • a= 86SrDM/(86SrDM+86Src)~1/(1+(Mc/MDM)([Sr]c/[Sr]DM)) • On a donc: 1+(Mc/MDM)([Sr]c/[Sr]DM) = (RDM-Rc)/(Rp-Rc) AN: MDM=2 1027g (Mms=1027g)

  15. II. Recyclage de croûte océanique et panaches • Eléments lithophiles, incompatibles, et si possible au moins un sensible à l’hydrothermalisme ou à la déshydratation (soluble) • Longue demi-vie Couple 238U/206Pb et 235U/207Pb

  16. Système U-Pb • 238U206Pb T1/2=4.47 109 ans • 235U204Pb T1/2=0.70 109ans • 238U/235U=137.88 (actuellement)

  17. Diagramme Pb-Pb « High µ » Ou HIMU

  18. Hydrothermalisme aux dorsales

  19. Evolution en deux stades

  20. Pente donne l’âge

  21. On peut alors calculer µ : µmanteau ≈ 8-9  µ croûte océanique recyclée ≈ 25 ~1.8Ga Perte de plomb d’un facteur ~3

  22. III. Dégazage du manteau • Des gaz • Peu sensibles à l’apparition de la vie • Systèmes avec des longue et courte demi vies GAZ RARES

  23. Les gaz rares Inertes, Isotopes radiogéniques, Isotopes stables, Large gamme de masses

  24. Rapports radiogéniques • U+Th 4He (4He/3He) • 40K 40Ar (40Ar/36Ar) • 129I 129Xe (129Xe/130Xe) • 238U 131,132,134,136Xe • 18O(,n)21Ne (21Ne/22Ne)

  25. Rapports « stables » • 20Ne/22Ne, 38Ar/36Ar, 124-128Xe/130Xe Fractionnent lors de processus physiques (diffusion, adsorption)

  26. Différences entre MORB et OIB

  27. Evolution avec le temps

  28. Autres rapports OIB MORB 18O(,n)21Ne

  29. Modèle « classique » de structure de manteau

  30. Modèle simple de dégazage du manteau Terme de dégazage Terme d’extraction crustale

  31. Cas où et  sont constants

  32. Cas du couple 129I/129Xe Période précoce de l’histoire de la Terre (T1/2=17Ma). On va négliger le terme d’extraction crustale:F=0 Inconnu météorites Inconnu

  33. =130Xe/130Xe0  =3.3 10-8 an-1

  34. Cas du couple 40K-40Ar Evolution continue: [K]BSE= 4x [K]DM [K]DM/ [K]BSE=1/4=exp(-t) = exp(-  x 4.5 109) D’où =3 10-10 an-1 Connu Taux d’extraction crustale ?

  35. D’après les mesures sur les MORB et les corrections liées au dégazage et à la fusion partielle µA = 30000 40Ar/36Ar = 44000 3He/36Ar=0.7 En ajustant pour obtenir le rapport isotopique, on obtient: =2.1 10-10 an-1 Dégazage continu, peu intense au cours de l’histoire de la Terre

  36. Deux stades On doit proposer un modèle plus complexe: S/S0 = A e-at + (1-A)e-bt « Accrétion » Avec: « Tectonique »

  37. Masse de manteau qui se dégaze • Flux aux dorsales connu (=1000mol/an) • 3He=dSa/dt=+S avec =2.1 10-10 an-1 • S=3He=[3He] x M  M= 3He/ [3He]= 1.07 1027g 3He

  38. Débat: manteau primitif ?

  39. “Paradoxe” de l’hélium

  40. Conclusions

  41. Quelques avancées récentes • Utilisation des couples 146Sm-142Nd et 147Sm-143Nd pour contraindre la formation de croûte précoce ou la cristallisation de l’océan de magma • 147Sm143Nd (T1/2=106 Ga), 146Sm142Nd (T1/2=103 Ma)

  42. L’océan de magma: la clé ? liquide liquide Couche dense de cristaux Gaz rares primitifs ? Labrosse et al., 2007

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