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1 Géodynamique chimique Manuel Moreira IPGP/UP7. 2 Les questions posées Formation de la Terre Formation des grands réservoirs géologiques (atmosphère,

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1 1 Géodynamique chimique Manuel Moreira IPGP/UP7

2 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 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 4 Radioactivité naturelle Isotope (même P, N≠): Radioactif Radiogénique Stable et non radiogénique

5 5 Principe général (1) F=fils, S=stable du fils, P=père R=F/S (rapport isotopique) µ=P/S (rapport chimique) R(t)=R 0 +µ(t)[e t -1]

6 6 Principe général (2) Il faut des fractionnements importants, et laisser du temps

7 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 8 Exemples L’extraction de la croûte continentale Recyclage de croûte océanique Dégazage du manteau et formation de l’atmosphère

9 9 I. Extraction de la croûte continentale Eléments lithophiles, incompatibles Longues demi-vies Couple 87 Rb/ 87 Sr et 147 Sm/ 143 Nd 87 Rb  87 Sr (T 1/2 = ans) 147 Sm  143 Nd (T 1/2 = ans)

10 10 Corrélation Sr-Nd

11 11 Comportements vis a vis de la fusion partielle de Rb, Sr, Sm et Nd 1 CompatibleIncompatible RbSrNdSm Rb/Sr grand dans les liquides Sm/Nd petit dans les liquides

12 12 Evolution avec le temps R(t) ~ R 0 +µ  t

13 13 Extraction de la croûte continentale: âge modèle R 1 (t) ~ R 1 (actuel)-µ 1  t) R 2 (t) ~ R 2 (actuel)-µ 2  t) R 1 (  )=R 2 (  )   )=[R 1 - R 2 ]/[ (µ 1 - µ 2 )] A.N.  )=1.9 Ga (Sr)

14 14 Masse de manteau appauvri R p =aR DM +(1-a)R c Où a est la proportion de mélange a= 86 Sr DM /( 86 Sr DM + 86 Sr c )~1/(1+(M c /M DM )([Sr] c /[Sr] DM )) On a donc: 1+(M c /M DM )([Sr] c /[Sr] DM ) = (R DM -R c )/(R p -R c ) AN: M DM = g (M ms =10 27 g)

15 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 238 U/ 206 Pb et 235 U/ 207 Pb

16 16 Système U-Pb 238 U  206 Pb T 1/2 = ans 235 U  204 Pb T 1/2 = ans 238 U/ 235 U= (actuellement)

17 17 Diagramme Pb-Pb « High µ » Ou HIMU

18 18 Hydrothermalisme aux dorsales

19 19

20 20 Evolution en deux stades

21 21 Pente donne l’âge

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

23 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 24 Les gaz rares Inertes, Isotopes radiogéniques, Isotopes stables, Large gamme de masses

25 25 Rapports radiogéniques U+Th  4 He ( 4 He/ 3 He) 40 K  40 Ar ( 40 Ar/ 36 Ar) 129 I  129 Xe ( 129 Xe/ 130 Xe) 238 U  131,132,134,136 Xe 18 O( ,n) 21 Ne ( 21 Ne/ 22 Ne)

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

27 27 Différences entre MORB et OIB

28 28 Evolution avec le temps

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

30 30 Modèle « classique » de structure de manteau

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

32 32 Cas où  et  sont constants

33 33 Cas du couple 129 I/1 29 Xe Période précoce de l’histoire de la Terre (T 1/2 =17Ma). On va négliger le terme d’extraction crustale:  =0 Inconnu météorites

34 34

35 35 = 130 Xe/ 130 Xe 0  = an -1

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

37 37 D’après les mesures sur les MORB et les corrections liées au dégazage et à la fusion partielle µ A = Ar/ 36 Ar = He/ 36 Ar=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 38 Deux stades On doit proposer un modèle plus complexe: S/S 0 = A e -at + (1-A)e -bt Avec: « Tectonique » « Accrétion »

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

40 40 Débat: manteau primitif ?

41 41 “Paradoxe” de l’hélium

42 42

43 43 Conclusions

44 44 Quelques avancées récentes Utilisation des couples 146 Sm- 142 Nd et 147 Sm- 143 Nd pour contraindre la formation de croûte précoce ou la cristallisation de l’océan de magma 147 Sm  143 Nd (T 1/2 =106 Ga), 146 Sm  142 Nd (T 1/2 =103 Ma)

45 45

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


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