Géodynamique chimique Manuel Moreira IPGP/UP7

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

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

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

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]

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

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

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

I. Extraction de la croûte continentale Eléments lithophiles, incompatibles Longues demi-vies Couple 87Rb/ 87Sr et 147Sm/143Nd 87Rb87Sr (T1/2=49 109 ans) 147Sm143Nd (T1/2=106 109 ans)

Corrélation Sr-Nd

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

Evolution avec le temps R(t) ~ R0+µ t

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)

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)

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

Système U-Pb 238U206Pb T1/2=4.47 109 ans 235U204Pb T1/2=0.70 109ans 238U/235U=137.88 (actuellement)

Diagramme Pb-Pb « High µ » Ou HIMU

Hydrothermalisme aux dorsales

Evolution en deux stades

Pente donne l’âge

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

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

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

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)

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

Différences entre MORB et OIB

Evolution avec le temps

Autres rapports OIB MORB 18O(,n)21Ne

Modèle « classique » de structure de manteau

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

Cas où et  sont constants

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

=130Xe/130Xe0   =3.3 10-8 an-1

Cas du couple 40K-40Ar Evolution continue: [K]BSE= 4x [K]DM [K]DM/ [K]BSE=1/4=exp(-t) = exp(-  x 4.5 109) D’où =3 10-10 an-1 Connu Taux d’extraction crustale ?

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: =2.1 10-10 an-1 Dégazage continu, peu intense au cours de l’histoire de la Terre

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

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

Débat: manteau primitif ?

“Paradoxe” de l’hélium

Conclusions

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)

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