Géodynamique chimique

Présentation au sujet: "Géodynamique chimique"— Transcription de la présentation:

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= ans) 147Sm143Nd (T1/2= 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= (actuellement)

17 Diagramme Pb-Pb « High µ » Ou HIMU

18 Hydrothermalisme aux dorsales

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20 Evolution en deux stades

21 Pente donne l’âge

22 ~1.8Ga On peut alors calculer µ :
µmanteau ≈ 8-9  µ croûte océanique recyclée ≈ 25 ~1.8Ga Perte de plomb d’un facteur ~3

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

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

25 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)

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

27 Différences entre MORB et OIB

28 Evolution avec le temps

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

30 Modèle « classique » de structure de manteau

31 Modèle simple de dégazage du manteau
Terme de dégazage Terme d’extraction crustale

32 Cas où et  sont constants

33 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

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35 =130Xe/130Xe0   = an-1

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

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

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

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

40 Débat: manteau primitif ?

41 “Paradoxe” de l’hélium

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43 Conclusions

44 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)

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