Composition chimique de la Terre - Préambule

Les modèles de l'intérieur de la Terre issus de champs disciplinaires comme la sismologie ou la gravimétrie montrent que la planète est structurée au premier ordre en enveloppes ou couches concentriques: le noyau, le manteau, la croûte (continentale ou océanique), l'océan et l'atmosphère. Ces enveloppes représentent ce que les géochimistes appellent communément des réservoirs chimiques. Ces réservoirs de compositions chimiques différentes sont le résultat de la différenciation de la planète depuis sa naissance il y a 4,55 milliards d'années. Estimer ces compositions chimiques et celle de la Terre dans sa globalité est un exercice intellectuel qui repose, comme nous allons le voir, sur des données (e.g. des analyses chimiques et radiochronologiques de roches terrestres et extraterrestres), des hypothèses (e.g. les météorites non-différenciées les plus primitives ont un lien de parenté avec le matériel qui a formé la Terre) et des bilans de masse élémentaires des éléments chimiques.

Figure 1. Représentation schématique des grands réservoirs chimiques actuels de la Terre

Des distinctions plus fines au sein des réservoirs ne sont pas mentionnées (par exemple la distinction de plusieurs réservoirs au sein du manteau). Les masses des réservoirs sont aussi indiquées.

D'un point de vue chimique l'équation de bilan de masse pour un élément chimique (par exemple l'oxygène O) est donnée par:

[O]_T.m_T = [O]_M.m_M + [O]_N.m_N + [O]_C.m_C + [O]_A. m_A

avec T = Terre globale; M= manteau; C = croûtes; A= atmosphère + océan; [O]_i est la concentration en % massique de l'oxygène dans le réservoir considéré et m_i la masse du dit réservoir. Si tout était connu cette égalité serait vérifiable. En fait, comme nous allons le voir la connaissance des différents termes de cette équation dépend de l'élément considéré et d'hypothèses sur le comportement des éléments chimiques.

Rappel sur la notion de concentration: la concentration d'un élément chimique dans une roche ou dans une solution peut s'exprimer de plusieurs manières et donc avec des unités différentes (cf un bon cours de chimie). Dans ce qui nous intéressera dans la suite nous exprimerons les concentrations d'éléments chimiques en pourcentage de masse. Ainsi quand nous dirons qu'une roche contient 25% en masse de silicium cela revient à dire qu'un échantillon de 100 grammes de roches contient 25 grammes de Si. Quand nous dirons que dans le noyau il y a 80 % en poids de Fe, cela signifiera que le noyau contient 0,8 x 1,95.10²⁴ = 1,56.10²⁴ kg de Fer.

Il existe un consensus sur la description des principaux évènements qui ont conduit à la formation de notre système solaire. Il est né de l'effondrement gravitationnel d'un nuage froid de gaz et de poussières. Des anomalies isotopiques observées (ex: 17O) dans certaines météorites suggèrent que cet effondrement aurait été induit par l'onde de choc émise par une supernova explosant au voisinage du nuage initial.

Source - © 1995 NASA - Hubble Space Telescope Figure 2. A : nuage de poussières et de gaz

Source - © 1994 NASA - Hubble Space Telescope Figure 3. B : explosion d'une supernova, Eta Carinae

Le passage d'un nuage de poussières et de gaz en rotation à un système solaire organisé en une étoile centrale autour de laquelle orbitent des planètes et d'autres objets comme des comètes ou des astéroïdes est modélisé par des processus de collisions successifs. On peut distinguer cinq stades (Figure 4).

Figure 4. Formation du système solaire: des poussières aux planètes

Des distinctions plus fines au sein des réservoirs ne sont pas mentionnés (par exemple la distinction de plusieurs réservoirs au sein du manteau). Les masses des réservoirs sont aussi indiquées.

Les grains de poussières de taille caractéristique microniques s'accrètent pour former des particules de taille plus importante, ces dernières se combinant alors pour former des planétisimaux et enfin des protoplanètes. Par la suite, et probablement avec des vitesses d'accrétion significativement plus lentes, les protoplanètes coalescent pour former des objets plus gros encore comme les planètes actuelles. Les cratères d'impact à la surface des différents corps du système solaire sont les traces de ces phénomènes de collision et d'agrégation.

À ce niveau on peut déjà entrevoir quelques points importants concernant la composition chimique de la Terre. La Terre s'est formée à partir de matériaux du même nuage interstellaire que celui qui a formé le soleil et les autres planètes. Au départ, ce nuage avait au premier ordre une composition chimique homogène proche de celle du soleil qui, rappelons le, représente 99% de la masse du système solaire. La composition chimique de ce nuage change pendant l'accrétion et la composition chimique des poussières et le degré d'oxydation varient en fonction de l'éloignement au Soleil. Certains matériaux qui n'ont pas été intégrés dans des planètes suffisamment grosses pour se différencier doivent cependant avoir des liens de parentés chimiques avec le matériau qui a participé à l'élaboration de la Terre. C'est probablement le cas de certaines météorites. Il est donc important d'étudier les météorites et de les mettre en relation avec la composition de la Terre.

Avant d'aller plus en avant dans la construction d'une composition chimique de la Terre, il nous faut tout d'abord définir quelques notions sur le comportement des éléments chimiques. Elles nous permettront de choisir les bons éléments pour aborder la construction d'un modèle chimique de la Terre. Pour notre propos, nous distinguerons les éléments chimiques par trois propriétés:

Le degré de "volatilité" est défini par rapport à la température de condensation (Tc) des éléments. La condensation représente le passage de l'état gazeux à l'état solide. Cette propriété est importante. En effet, si l'on se replace au début de l'histoire du système solaire les blocs rocheux à l'origine des planètes ont pu subir des variations de température liées entre autres aux chocs et aux passages à des distances plus ou moins importantes du Soleil. Certains éléments chimiques on donc pu être volatilisé ou jamais condensés. Ce phénomène est observable dans les chondrites où les éléments chimiques les plus volatiles (H, C, ….) sont en abondance plus faible que dans le Soleil alors que les éléments les plus réfractaires ont des abondances très similaires au Soleil. On distingue différentes classes d'éléments:

La structure actuelle de la Terre résulte d'une différenciation chimique qui fonctionne depuis l'origine de la planète. Cette différenciation est gouverné au premier ordre par des contrastes de densité entre matériaux mais aussi par les affinités des éléments chimiques pour certains types de matériaux (e.g. roches silicatées, métal). Par exemple, un élément chimique dense comme l'uranium est lithophile et incompatible et se retrouve préférentiellement dans la croûte!

Figure 5. Accrétion et différenciation de la Terre

La formation d'une planète différenciée en enveloppes chimiquement distinctes est lié à une ségrégation par gravité (le fer métal va vers le cœur de la planète) mais aussi par des processus chimiques comme la fusion partielle des matériaux du manteau (extraction de la croûte océanique et continentale).

Figure 6. Tableau périodique des éléments chimiques et affinités pour les différentes enveloppes de la Terre

Voir l'article sur les météorites.

Les météorites sont des objets du système solaire qui n'ont pas participé pour la plupart à l'élaboration de planètes. Les météorites ont néanmoins formé des planétésimaux plus ou moins gros qui ont pu ou non se différencier. Elles viennent en majorité des ceintures d'astéroïdes. Certaines viennent de planètes comme Mars ou la Lune et d'autres de gros astéroïdes comme Vesta.

La classification des météorites est fondée sur leur composition chimique (Figure 5 et Figure 6) et leur pétrologie. On distingue:

Figure 7. Classification des météorites

Figure 8. Comparaison entre la composition de la photosphère solaire et les météorites

À gauche, pour une météorite de type chondrite carbonée et, à droite, pour une météorite différenciée.

Bibliographie

Nous vous invitons à lire les ouvrages suivants pour plus d'informations:

La Terre s'est formée par l'accrétion de matériel primitif de composition très voisine de celle du soleil actuel et s'est différenciée (Figure 5). La différenciation a produit des entités structurales de compositions chimiques différentes: le noyau, le manteau, la croûte et l'hydrosphère+atmosphère.

On connaît la composition de la croûte, des parties supérieures du manteau, de l'atmosphère et des océans, mais celle du noyau et du manteau profond ne peuvent être déterminées à partir d'échantillons naturels.

Une manière d'estimer la composition chimique de la Terre est la suivante. La composition chimique de la Terre à la fin de son accrétion et avant sa différenciation est proche de celle du Soleil dont les chondrites carbonées sont représentatives. Cette composition de la Terre indifférenciée correspond à celle de la Terre Globale (T_G). Le manteau primitif de la Terre (M_P) représente le premier manteau de la Terre à la fin de sa différenciation: c'est le manteau avant l'extraction de la croûte continentale. Bien que le manteau actuel soit différent du manteau primitif, on peut estimer la composition de ce dernier en étudiant la composition chimique de nodules de péridotites provenant du manteau actuel. Les nodules présentent des degrés variés de différenciation: certains sont appauvris en éléments incompatibles parce qu'il ont, par exemple, subi une fusion partielle pour engendrer des basaltes alors que d'autres sont plus primitifs et peu appauvris en éléments incompatibles. Une fois la composition de T_G et M_P connues, on en déduit par différence la composition du noyau. Nous verrons que pour des raisons de masse on pourra négliger la croûte et l'atmosphère+océans.