Formation du noyau de la Terre

1. Formation du noyau de la Terre Julien Siebert IMPMC-UPMC, CNRS Institut de Physique du Globe de Paris

2. Structure de la Terre Dziewonski & Anderson (PEPI, 1981)

3. Birch (1962) Composition du noyau

4. Abondances chimiques dans le système solaire H Fe fusion dans les étoiles B, Li, Be instables dans les étoiles Éléments plus lourds sont produits lors de l’explosion des supernovas par capture de neutrons. Pic du Fer, Fe est le composant principal du noyau terrestre

5. Compositions du noyau Composition du manteau primitif + Tendances des compositions des chondrites Composition en Fer de la Terre globale bien que la majorité du Fer se trouve dans le noyau qu’on échantillonne pas Par Mass balance avec le manteau 80-85 wt% Fe dans le noyau Ni/Al 5wt% Ni dans le noyau

6. Composition du noyau Éléments légers Equation d’état du Fer à HP-HT (K0, K’0,, α, V (P0, T) Différence de densité de10% du fer pur par rapport au noyau Présence d’éléments légers dans le noyau de la Terre. Le noyau liquide est plus riche en éléments légers que la graine

7. Composition du noyau Éléments légers Abondances cosmochimiques Candidats possibles: H, C, O, Si, S

8. Formation du noyau Contexte géodynamique Conditions P-T d’équilibre chimique métal-silicate déterminantes pour les compositions du noyau et du manteau.

9. Formation du noyau Contexte géodynamique Matériel chondritique = Matériel de départ (Mélange de métal et de silicate) Chondrite Allende

10. Formation du noyau Contexte géodynamique-datation • 182Hf  182W (T1/2=9 Ma) (via 182Ta, T1/2=114,43j) • 2 éléments réfractaires: • H/W Terre totale = chondrite • Hf lithophile, W sidérophile

11. Formation du noyau Contexte géodynamique-datation ~Noyau T core formation ~ 30 Ma t ϕ

12. Formation du noyau Contexte géodynamique T core formation ~ 30 Ma Ségrégation rapide du métal dans Terre primitive Ségrégation solide-solide (trop lente) Métal est liquide Ségrégation liquide-solide Ségrégation liquide-liquide (océan magmatique)

13. Formation du noyau Contexte géodynamique

14. Formation du noyau Contexte géodynamique Modèles dynamiques d’accrétion des planètes dans le système solaire Succession d’impacts géants pour former la majeure partie de la Terre

15. Formation du noyau Contexte géodynamique Impact géant La plupart du matériel (Terre- impacteur) est fondue. Une partie est vaporisée (l’ impacteur principalement)

16. Classification géochimiques des éléments

17. Abondances élémentaires du manteau Appauvrissement des éléments sidérophiles

18. Observables mantelliques Chondrite (CV, Allende) Peridotite (roche mantellique) Appauvrissement des éléments sidérophiles Empreinte chimique de la formation du noyau

19. Observables mantelliques Expérience de Partage métal-silicate Excès de sidérophiles dans le manteau. Lié aux conditions d’équilibre métal-silicate

20. Le comportement de partages d’un élément sidérophile • entre métal et silicate au cours de la formation du noyau • Dépend de plusieurs paramètres: • La Pression (P) • La Température (T) • La fugacité d’oxygène (fO2) • - Les compositions chimiques (métal et silicate)

21. Formation du noyau Contexte géodynamique Conditions P-T d’équilibre chimique métal-silicate déterminantes pour les compositions du noyau et du manteau.

22. Formation du noyau Expériences de HP-HT Partages métal-silicate pendant différenciation fixent les abondances en éléments sidérophiles du manteau présent. - D (partages élémentaires métal-silicate) ~ 1 - > 1000 selon éléments Les mesures de partages à pression ambiante ne permettent pas d’expliquer les abondances en sidérophiles du manteau

23. Formation du noyau Expériences de HP-HT Partages métal-silicate pendant différenciation fixe les abondances en éléments sidérophiles du manteau présent. - D (partages élémentaires métal-silicate) ~ 1 - > 1000 selon éléments Expériences HP-HT (presses hydrauliques, cellule diamants) Pour mesurer les partages des sidérophiles en contexte de différentiation planétaire et expliquer comment produire les abondances chimiques qu’on observe dans le manteau (HP-HT)

24. Expériences HP-HT Principe de base P = F/S P = Pression F = Force A = Surface Donc Haute pression peut être générée: Force plus grande-->Volume d’échantillon plus grand Surface plus petite--> Volume d’échantillon réduit

25. Devices required for P-T conditions cm 120 km 4 GPa, 2700 °C mm mantle core 750 km 25 GPa, 2800 °C ~ 5000 km ~ 300 GPa, > 5000 °C m

26. Presses hydrauliques- Piston cylindre Extreme values of intensive properties (pressure, temperature, voltage) may be obtained through: •Disproportionation •Gathering and focusing •In situ energy transformation piston-cylindre principle (origins lost in antiquity) Pressures derived by transferring the large thrust of a hydraulic ram to a small area (to generate high pressure) are limited by the compressive strength of the transferring material. Upper pressure limit is set by failure of the piston (1-4 GPa, <2600 °C)

27. Presses hydrauliques- Piston cylindre 250 ton press WC WC WC WC Pressure is directly derived from The size of the piston Ø BUT friction loss Pressure medium/cell

28. Calibration de la température vs. Puissance Presses hydrauliques- Piston cylindre HighT assemblies 2100 K 3000 K

29. Presses hydrauliques- Multienclumes GAMME DE TRAVAIL • Pression : 3 à 26 GPa (carbures); 80-100 GPa (diamants frittés) • Température : RT à 2500°C • Durée : plusieurs jours à T<1600°C

30. Presses hydrauliques- Multienclumes Presse 5000 tonnes Misasa, Japon Presse 1500 tonnes Clermont Ferrand, France Presse 6000 tonnes, Ehime, Japon

31. Presses hydrauliques- Multienclumes

32. Presses hydrauliques- Multienclumes Assemblage

33. Presses hydrauliques- Multienclumes Assemblage

34. Presses hydrauliques- Multienclumes Assemblage

35. Presses hydrauliques- Multienclumes Répartition des forces

36. Presses hydrauliques- Multienclumes

37. Metal-silicate partitioning of siderophile elements Large Volume presses-« Cook and look Experiments » Multi-enclumes Piston-cylindre Techniques analytiques -Microscope électronique à balayage (observations, infos χ qualitatives) -Microsonde électronique (infos χ quantitatives) -Microsonde ionique (SIMS), LA-ICPMS, spectrométrie de masse (infos χ quantitatives avec très haute résolution analytique) Résolution spatiale > 5 µm

38. Formation du noyau Expériences de HP-HT Ni et Co : Éléments réfractaires Modérément sidérophiles Terre: Patm: DNi DNi ~1 ~10 DCo DCo

39. Metal-silicate partitioning of siderophile elements Large Volume presses-Ni and Co partitioning (Keggler et al., 2008)

40. Observables du manteau Excès de sidérophiles dans le manteau Equilibre noyau-manteau à haute pression-haute température (HP-HT)

41. Diamond anvil cell experiments Homogeneous peridotite and tholeiite glasses (+ oxide traces) (Piston-cylinder/Laser levitation) + Fe metal / (Fe, Ni, Si) metal foils (piston cylinder synthesis) P = 35-75 GPa T= 3100-4400 K (superliquidus conditions)

42. 20 mm The Diamond Anvil Cell Diamond Gasket Diamond

43. thermal emission T wavelength High Pressures and High Temperatures

44. thermal emission T wavelength Diamond anvil cell experiments Yag Laser Diamond Re Gasket Run duration=100s T=3400 ±150 K Diamond Yag Laser

45. FIB (Focused ion Beam) Sample recovery FIB crossbeam, IMPMC Optical image Re Gasket Hot spot area FIB electron image Hot spot area -Milling with Ga ion beam -Electron image of the sample

46. FIB (Focused ion Beam) Sample recovery

47. FIB (Focused ion Beam) 71 GPa 3500 K

48. Expériences en cellule diamant

49. Formation du noyau Expériences de HP-HT Les abondances en Ni et Co du manteau peuvent s’expliquer par un équilibre noyau-manteau à la base d’un océan magmatique d’environ 1000 km de profondeur (~40-50 GPa, 3500 °C)

50. Resultats Ni-Co Partitioning Equilibre noyau-manteau À la base d’un océan magmatique profond peut produire les abondances en Ni et Co du manteau Profondeur maximale de l’océan magmatique 1400 km