Sciences de la Terre Origines des planètes et de la vie · facteur 10 On peut calculer les...
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Origines des planètes et de la vie
Sciences de la Terre Bernard Marty
CRPG Nancy
les géologues travaillent sur des échantillons pour répondre auxquestions importantes des sciences de l’univers
Les météoritesprimitives: destémoins du débutdu système solaire
Disques autours d’étoiles
jeunes dans la nébuleuse
d’Orion (image HST, doc ISSI)
Origines des planètes et de la vie
Stromatolites de 3,4milliards d’années :Dresser formation,
North Pole, Australie
Stromatolite moderne,Shark Bay, Australie
Le temps est leur domaine
Stromatolites de 3,4milliards d’années :Dresser formation,
North Pole, Australie
Stromatolite moderne,Shark Bay, Australie
Images chimiques demicrofossiles de 0.8 Ga faites
avec la Nanosims du Muséum(Robert et al., 2006)
Stromatolites de 3,4milliards d’années :Dresser formation,
North Pole, Australie
Stromatolite moderne,Shark Bay, Australie
ICP-MS large secteur, ENS Lyon
Instrumentation en évolution
Expérience haute pressionmulti-enclume qui permetde travailler dans lesconditions P-T desmanteaux planétairesLab. Magmas & Volcans, ClermontFerrand
Expériences dans desconditions extrêmes
pression – températurevisant à reproduire des
processus naturels
Modèle numérique de convectiondans le manteau (ENS Lyon)
Cuve de sodium enrotation destinée àcomprendre lefonctionnement desdynamos planétairesLGIT Grenoble
Origines des planètes et de la vie
Origines
- Origine de la matière dans le système solaire- Chronologie de la naissance du système solaire- Origine et évolution de la matière planétaire
Terre jeune et Mars
- Différenciation de la Terre et de Mars- Le régime thermique de ces planètes durant le premier Ga- Les environnements primitifs
cf. Exposés de M. Chaussidon, M. van Zuilen - P. Phillipot & N. Arndtsur les environnements primitifs de la Terre.
Orion
Origine de la matière dans lesystème solaire
NGC 6357, Hester & Desch (2005)Evaporative Gaseous Globule
PROtoPLanetarYDisk
NGC 6357, Hester & Desch (2005)
Que nous enseignent les radioactivitéséteintes (7Be, 10Be, 26Al, 36Cl, 41Ca, 53Mn,60Fe) sur le contexte astrophysique de
formation du système solaire ?
Estimer les quantités des parents à lanaissance du système solaire d’après l’analysede météorites
Les comparer à celles prédites par différentsmodèles de formation
Supernova CAIsCalcium-aluminium
rich inclusions
Injection dansle nuage
protosolaire
Origine des radioactivités éteintes
La séquence de condensation
McSween (2000)
Mostéfaoui et al., 2004
Présence de 60Fe (T1/2 = 1,5 Ma) dans le système solaire • CAIs : Birck & Lugmair (1988)• sulfures dans les chondrites (Mostéfaoui et al., 2004)• chondres (Huss & Tachibana, 2004)
Le 60Fe ne peut être produit que par nucléosynthèse stellaire
10-2
10-1
100
101
102
103
Rat
io n
orm
aliz
ed t
o th
e ea
rly s
olar
sys
tem
val
ue
26A l 41Ca 53Mn 60Fe 107Pd
• SN II : surproduit 53Mn par 100 et 60Fe par 10(Rauscher et al., 2002 ; Busso et al., 2003)
• AGB : pas de production de 53Mn, Sous produit 60Fe d’un facteur 10
On peut calculer les fractionsde mélange
f0 = 1.3x10-41 = 1.3 Ma
M=25Mo
SN
f0 = 3x10-41 = 1.1 Ma
M=15Mo
SN
f0 = 5x10-31 = 0.76 Ma
M=1.5Mo
AGB
Radioactivités éteintes prédites par un modèle d’injection
10Be (T1/2 = 1.5 Ma) et 7Be (T1/2 = 53 jours) étaient présents
10Be/9Be 1 x 10-3 7Be/9Be 6 x 10-3
(McKeegan et al., 2000 ; Sugiura et al., 2001 ; MacPherson et al.,2003 ; Chaussidon et al., 2004, 2006)
Les isotopes de Be ne peuvent être produits que par irradiation
Etoile jeune Réactions
nucléaires dansle disque
d’accrétion
CAIs
Origine des radioactivités éteintes
Radioactivités éteintes prédites par un modèle d’irradiation
(Gounelle et al., 2004)
Reproduit lesobservations dans lamarge d’incertitude
Mais
Conditions spécifiquesd’irradiation et des
compositions irradiées
Carrez et al. (2002), LSTS, Lille
Evolution du nuage protosolaire - irradiation
Accélérateur ARAMIS, CSMSN, Orsay
Silicate de magnésium transforméen verre par irradiation avec desprotons ou alphas, 10Kev
Amorphisation dans les ondes de choc desupernova
NGC6302
NGC6537
Carbonates vus par le télescope ISO Condensation de carbonates en absence d’eau liquidemais en présence de vapeur H2O et de CO2.
L’utilisation de carbonates dans notre galaxie comme traceur d’environnements favorables à la vie est fortement remise en cause
Toppani et al., 2005
Evolution du nuage protosolaire - condensation
Göpel, Manhès & Allègre (1993)Allègre, Manhès & Göpel (1995)
âge Pb-Pb des CAIs = 4.566+ 0.002- 0.001
Bouvier et al. (2006) : âge Pb-Pb CAIs = 4568.3±0.4 Ma.
Chronologie du système solaire naissant
Manhès et al., 1995;Zinner & Göpel, 2002
Manhès et al., 1995;Zinner & Göpel, 2002
Angrite
Baker et al., 2005
Pour obtenir une différenciation (50% de fusion, 1723K, Tsurface= 200K) en 3 Ma grâce à l’énergie libérée par la décroissance de 26Al,
il faut que l’accrétion se soit produite vers 0,7 Ma (Bizzarro et al., 2005).
Tout objet accrété plus tard, quelque soit sa taille, ne peut passe différencier avec l’énergie des radioactivités éteintes
(Bizzarro et al., 2005).
Tout objet accrété plus tard, quelque soit sa taille, ne peut passe différencier avec l’énergie des radioactivités éteintes
(Bizzarro et al., 2005).
Chondrites = rochessédimentaires plus tardives
Manteau riche en matière organique :accrétion dans la nébuleuse Silicates réfractaires hérités
Matrice de lachondrite =histoire durégolite ducorps parent
Les météorites primitives (chondrites)
1 mm
Olivine Pyroxene
Métal
Verre
1 mm
Les météorites primitives (chondrites)
met
Jonctions triples entre grains d’olivine typiques decristallisation à haute pression
met
Peridotite du manteau terrestre
Des fragments de planètes disparues ?
Libourel & Krot, 2006
IosNASA
Origine de la matière planétaire
Galileo, Cassini-Huygens, Venera, Pioneer, Viking
GenesisApollo Luna
Stardust
Soleil
Vent solaire
Nébuleuse protosolaire
Origine et composition du gaz : letémoignage du Soleil
Photo : Y Langevin
0.5 m Le vent solaire dans le sol lunaire
0.5 m
Photo : Y Langevin
Photo : K Hashizume
0.5 m
Photo : K Hashizume
D/H
100 2000
Profondeur sous la surface, nanomètres
0
-800
-400
+400
+800
D
-200
-100
0
D (‰
)
15 N
(‰
)
0
N/14 N15
-500 0 500
Jupiter ISO
Cometaire, HCN
1000
CR, Bencubinnites
IDP
Chondrites carbonées
Earth
VenusMars (Atm)
15N = (15N/14N)s(15N/14N)ATM
[ - 1 ] x 1000 ‰
1500
Cometaire, CN
Jupiter Galileo TITAN
Nanodiamants chondrites
Large gradient de composition isotopique d’azote (et d’hydrogène)dans le système solaire
-500 0 500
Jupiter ISO
Cometaire, HCN
1000
CR, Bencubinnites
IDP
CC
Earth
VenusMars (Atm)
15N = (15N/14N)s(15N/14N)ATM
[ - 1 ] x 1000 ‰
1500
Cometaire, CN
Jupiter Galileo TITAN
Nanodiamants chondrites
Sols lunaires
Large gradient de composition isotopique d’azote (et d’hydrogène)dans le système solaire
-500 0 500
Jupiter ISO
Cometaire, HCN
1000
CR, Bencubinnites
IDP
CC
Earth
VenusMars (Atm)
15N = (15N/14N)s(15N/14N)ATM
[ - 1 ] x 1000 ‰
1500
Cometaire, CN
Jupiter Galileo TITAN
Contribution de composéssolides riches en 15N
Matière organique enrichie en15N dans des radicaux :
réactions ion-molécule à BT
• Milieu interstellaire ?• Nébuleuse protosolaire ?
Nanodiamants chondrites
Sols lunaires
Apport exotique d’éléments légers par des phases condenséesOrigine et nature de ces phases ?
L2021 K1
Les enrichissements en 15N sontcouplés aux enrichissements en D
dans la matière organique
Aléon et al. (2003)
matière macromoléculairedont la composition
isotopique est héritéede réactions chimiques
À très basse température
Interplanetary dust particles et micrométéorites
Stardust : des échantillons de comète sur Terre
Masse des échantillons :10-11 fois celle ramenéepar les missions Apollo
Stardust : des échantillons de comète sur Terre
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.11
0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0
4He/
20Ne
22 N
e/2
0 Ne
Atmosphere
Solar4He/
20Ne = 850
Thera 1
Thera 2
Cometary ?4He/
20Ne ~ 20
Mixing curve between
Atm. and Solar
Gaz rares dans les grains cométaires
La mission Genesis dela Nasa vient de ramener1020 ions de vent solaire
(=0,4 milligrammes)collectés en 884 joursà proximité du Soleil
(1,5 millions de km de laTerre).
Objectifs de la mission :compositions isotopiques
- O- N (& C)- gaz rares- Li, B- …
compositions élémentaires
Genesis : des échantillons du Soleil sur Terre
Attaque acide sous ultravide (Zurich)
Ablation laser (Milton Keynes & Nancy)
Megasisms (Los Angeles)
• Inventer des systèmes nouveaux capablesd’analyser les échantillons rapportés par les
missions spatiales
Fluorination (San Diego)
Un retour d’échantillon gratuit :les météorites martiennes
3 µm
Gaz piégé dans les SNC :composition et évolution del’atmosphère martienne
-2
0
2
4
-1 -0.5 0.0 +0.5 +1.0 +1.5
142
Nd
182W
Différentiation martienne plus précoce quepour la Terre
- Réservoirs (croûte, manteau…) hétérogènes - Pertes atmosphériques importantes - Manteau moins dégazé
Minéralogie haute pression (choc)SiO2-stishovite + K-HollanditeENS Lyon
Radioactivités éteintesdans les roches
volcaniques martiennes
Âges de cristallisation des magmas martiens versus âgesd’éjection de Mars
Âges de cristallisation des magmas martiens versus âgesd’éjection de Mars
Volcanisme récent sur Mars ?
L’isochrone Pb-Pb indique un âge de 4,0Ga pour les shergottites basaltiques
(Bouvier et al., 2005)
Origine des radioactivités éteintesDonnées de qualité (sondes ioniques, ICP-MS)Couplage observation-modèleCouplage avec observation astrophysique
Chronologie de formation du système solaireEtudes multi-systèmes de radioactivités éteintes pour mieux les caler(ex : 10Be, 26Al, 41Ca, 53Mn, 60Fe sur les mêmes phases)Couplage modélisation cf Morbidelli et cosmochimie
Origine de la matière organique et des éléments biogéniques (H, C, N, S) ?Conditions de formation : Gaz rares, isotopes stables, chimie organique,
nouveaux isotopes stables (Cu, Fe, Ge….)Comportement lors de l’altération planétaire (hydrothermalisme, métamorphisme)Couplage avec les observations AA (D/H et 15N/14N des comètes, de Jupiter, de Titan)
PlanètesEtude des sédiments martiensModélisation de la convection des manteaux planétaires, origine des dynamosOrigine et évolution des atmosphères planétaires (telluriques, géantes)
Des retours d’échantillons
QUELQUES PISTES
Ballentine, 2004
Terre jeune
Zanhle, 2006
Terre jeune
Zanhle, 2006
Terre jeune
Courbe de cratérisation lunaire
Echantillons géologiques
Jack Hills, Australie du NWLes sédiments archéens contiennentdes zircons détritiques dont les âgesvont jusqu’a 4.4 Ga, soit seulement160 millions d’années après le débutdu système solaire
4377±3 Ma
4367±3 Ma
3700±12 Ma
4250±5 Ma
4114±21 Ma
4080±8 Ma
FC27 3-11
Trail et al., 2006
Echantillons géologiques
Métamorphisme de laTerre jeune : le xénondans les zircons hadéens
Formation de croûte continentale vers ~ 4.5 GaHarrison et al., 2006
Turner et al., 2004
(146Sm 142Nd, T 1/2 = 103 Ma)
Boyet et al., 2003, Caro et al. (2003)
0-5 252015105
100 x142Nd (ppm)
Metasediments
Orthogneisses
Metabasalts
AmphiboliteenclaveAcasta
Barberton
MORBs
Pitcairn (EM I)
Society (EM II)
Manteau actuel Roches d’Isua (3.8 Ga)
Il existait une croûte continentaledans les premiers 100-200 Ma
Depuis, la convection a tout effacé
Basaltes en coussins âgés de 3.8 Ga, Isua, Groenland ouest
1 2 3 40
Milliards d’années
1 2 3 4
Milliards d’années
Modélisation de l’évolution del’atmosphere et du manteau de
l’Hadéen à l’actuel
Tem
péra
ture
K
Conv
ecti
on
*
ENS Lyon
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
122 124 126 128 130 132 134 136 138
Masse (amu)
(i Xe/
13
0X
e)/
(i X
e/
13
0X
e)
so
lar
Atmosphere
Radioactivité éteinte
Fuite atmosphérique
solaire
Xénon
129I 129Xe, T 1/2 = 16 Ma244Pu 136Xe, T 1/2 = 82 Ma238U 136Xe, T 1/2 = 4445 Ma
1 2 3 40
Milliards d’années
1 2 3 4
Milliards d’années
Komatiite spinifex, Barbeton
Modélisation de l’évolution del’atmosphere et du manteau de
l’Hadéen à l’actuel
Tem
péra
ture
K
Conv
ecti
on
*
ENS Lyon
Evolution thermique de la Terre jeune et de Mars ?
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
122 124 126 128 130 132 134 136 138
Masse (amu)
(i Xe/
13
0X
e)/
(i X
e/
13
0X
e)
so
lar
Atmosphere
Radioactivité éteinte
Fuite atmosphérique
solaire
Xénon
129I 129Xe, T 1/2 = 16 Ma244Pu 136Xe, T 1/2 = 82 Ma238U 136Xe, T 1/2 = 4445 Ma
Michel et al., 2003
Origine des impactants
Chondrite de type CM2 pour la limite Crétacé-Tertiaire
Trinquier, Birck & Allègre, 2006
Origine des impactants
Le pic de bombardement à 3,8 Ga était dû à une déstabilisation du systèmesolaire externe matière cométaire Effet sur l’environnement ?
Gomes et al., 2005
Régime thermique et convection de la Terre jeune et de MarsMise en place de la dynamo, histoire du champ magnétiqueContributions post-accrétion, rôle de la poussièreLe climat Hadéen et ArchéenPeut t’on trouver des traceurs fiables de biogénicité ?
QUELQUES PISTES