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Géodynamique chimique

Manuel Moreira

IPGP/UP7

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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

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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

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Radioactivité naturelle Isotope (même P, N≠):

Radioactif Radiogénique Stable et non radiogénique

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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)[et-1]

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Principe général (2)

Il faut des fractionnements importants, et laisser du temps

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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

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Exemples L’extraction de la croûte continentale

Recyclage de croûte océanique

Dégazage du manteau et formation de l’atmosphère

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I. Extraction de la croûte continentale

Eléments lithophiles, incompatibles Longues demi-vies

Couple 87Rb/ 87Sr et 147Sm/143Nd

87Rb87Sr (T1/2=49 109 ans)

147Sm143Nd (T1/2=106 109 ans)

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Corrélation Sr-Nd

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Comportements vis a vis de la fusion partielle de Rb, Sr, Sm et Nd

Olivine Opx Cpx Rb 0.000044 - 0.0033 Sr 0.000063 0.0068 0.157 Sm 0.000445 0.0085 0.462 Nd - 0.007 0.277 D = m

Φ

D

Φ / L

Φ

∑

1CompatibleIncompatible

Rb Sr Nd Sm

Rb/Sr grand dans les liquidesSm/Nd petit dans les liquides

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Evolution avec le temps

R(t) ~ R0+µ t

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Extraction de la croûte continentale: âge modèle

R1(t) ~ R1(actuel)-µ1 t)

R2(t) ~ R2(actuel)-µ2 t)

R1(Φ)=R2(Φ)

Φ)=[R1- R2]/[(µ1- µ2)]

A.N. Φ)=1.9 Ga (Sr)

Réservoir 87Sr/86Sr 143Nd/144Nd 87Rb/86Rb 147Sm/144Nd MORB 0.7025 0.5134 0.005 Croûte Continentale 0.710 0.512 0.1136 Terre Totale 0.7045 0.5126 0.08 0.197

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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)

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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

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Système U-Pb

238U206Pb T1/2=4.47 109 ans

235U204Pb T1/2=0.70 109ans 238U/235U=137.88 (actuellement)

R6(τ)=R6i +μA(e

λ8T −eλ8τ)

R7(τ)=R7i +

μA

137.88(eλ5T −eλ5τ)

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Diagramme Pb-Pb

« High µ »Ou HIMU

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Hydrothermalisme aux dorsales

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Evolution en deux stades

R'i =R(Φ)=R(actuel) −μ(eλΦ −1)

R'(actuel) =R(Φ)+μA' (eλ8Φ −1)

R'(actuel) =R(actuel)+ μA' −μA[ ]⋅(e

λ8Φ −1)

R' =R+ μA' −μA[ ]⋅(e

λ8Φ −1)

R(τ)=Ri +μA(eλ8T −eλ8τ )

R'(τ)=Ri' +μA

' (eλ8Φ −eλ8τ)

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R6' =R6+ μA

' −μA[ ]⋅(eλ8Φ −1)

R7' =R7+

μA' −μA[ ]137.88

⋅(eλ5Φ −1)

R7' −R7R6' −R6

=1

137.88⋅(eλ5Φ −1)(eλ8Φ −1)

Pente donne l’âge

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On peut alors calculer µ :

µmanteau ≈ 8-9 µ croûte océanique recyclée ≈ 25

R6' =R6+ μA

' −μA[ ]⋅(eλ8Φ −1)

~1.8Ga

Perte de plomb d’un facteur ~3

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

GAZ RARES

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Les gaz rares

Inertes,Isotopes radiogéniques,Isotopes stables,Large gamme de masses

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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)

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

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Différences entre MORB et OIB

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Evolution avec le temps

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Autres rapports

18O(,n)21Ne

OIB MORB

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Modèle « classique » de structure de manteau

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Modèle simple de dégazage du manteau

Terme de dégazage

Terme d’extraction crustale

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Cas où Φ et sont constants

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Cas du couple 129I/129Xe

Période précoce de l’histoire de la Terre (T1/2=17Ma). On va négliger le terme d’extraction crustale: Φ=0

Inconnu

Inconnumétéorites

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=130Xe/130Xe0

=3.3 10-8 an-1

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Cas du couple 40K-40Ar

[K]BSE= 4x [K]DM

[K]DM/ [K]BSE=1/4=exp(-Φt) = exp(- Φ x 4.5 109)D’où Φ=3 10-10 an-1

Evolution continue:

Connu

Taux d’extraction crustale

?

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D’après les mesures sur les MORB et les corrections liées au dégazage et à la fusion partielle

µA = 3000040Ar/36Ar = 440003He/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

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Deux stades

On doit proposer un modèle plus complexe:S/S0 = A e-at + (1-A)e-bt

Avec:

« Tectonique »

« Accrétion »

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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

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Débat: manteau primitif ?

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“Paradoxe” de l’hélium

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Conclusions

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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

147Sm143Nd (T1/2=106 Ga), 146Sm142Nd (T1/2=103 Ma)

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L’océan de magma: la clé ?

liquide

liquide

Couche dense de cristauxGaz rares primitifs ?

Labrosse et al., 2007