PLANETOLOGIE ET TERRE PRIMITIVE LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive PLANETOLOGIE ET TERRE PRIMITIVE Christophe Thomazo UMR CNRS/uB5561 Biogéoscience UFR Sciences Vie, Terre, Environnement Mail : Christophe.Thomazo@u-bourgogne.fr

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive - PLAN DU COURS II. Le système solaire – Les premiers instants Aperçu des Planètes et de leurs satellites La différenciation dans la nébuleuse solaire : Planètes Telluriques / géantes gazeuses Les « petits objets » (comètes, astéroïdes, météorites) : Classification et datation du système solaire Bilan chimique et modèles d’accrétions : exemple Terre-Lune Mise en évidence de l’évolution des protoplanètes : exemple Terre et Mars

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ?

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted 

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted 

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted Explains oxygen isotopes Doesn’t explain iron and volatile depletion

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted Explains oxygen isotopes Doesn’t explain iron and volatile depletion Earth split into two pieces Spinning so fast that it broke apart (fission)

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted Explains oxygen isotopes Doesn’t explain iron and volatile depletion Earth split into two pieces Spinning so fast that it broke apart (fission) …but the Moon doesn’t orbit in Earth’s equatorial plane

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted Explains oxygen isotopes Doesn’t explain iron and volatile depletion Earth split into two pieces Spinning so fast that it broke apart (fission) …but the Moon doesn’t orbit in Earth’s equatorial plane Capture of passing body Earth captures an independently formed moon as it passes nearby

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted Explains oxygen isotopes Doesn’t explain iron and volatile depletion Earth split into two pieces Spinning so fast that it broke apart (fission) …but the Moon doesn’t orbit in Earth’s equatorial plane Capture of passing body Earth captures an independently formed moon as it passes nearby Pretty much a dynamical miracle Doesn’t explain oxygen isotope similarity to Earth

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Origine de la Lune ? Possible theories (that didn’t work) Earth and Moon co-accreted Explains oxygen isotopes Doesn’t explain iron and volatile depletion Earth split into two pieces Spinning so fast that it broke apart (fission) …but the Moon doesn’t orbit in Earth’s equatorial plane Capture of passing body Earth captures an independently formed moon as it passes nearby Pretty much a dynamical miracle Doesn’t explain oxygen isotope similarity to Earth Current paradigm is Giant impact Earth close to final size Mars-sized impactor

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Vers la fin de la période d’accrétion, il y a 4.5-4.4 Ga, un impact avec un corps de la taille de Mars a eu un effet majeur sur l’histoire de la Terre.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive La collision avec la proto-Lune est le dernier impact qui a modifié l’état thermique de la Terre Canup (2004)

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive La Lune et la Terre sont-elles formées des mêmes matériaux? Oui! les silicates se retrouvent en abondance dans les deux corps ….. avec cependant quelques différences. Par exemple, la Lune est pauvre en éléments légers (depuis H2O jusqu’au potassium), et est pauvre en fer, en comparaison avec la Terre.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive La Lune: refroidissement rapide, perte de son atmosphère, sans activité géologique. A l’origine la Lune était chaude et recouverte d’un océan de magma. Mais, la Lune est petite et a refroidi rapidement. Elle n’a aujourd’hui plus aucun volcanisme; aucune activité ou biologique ou géologique.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive On considère que la Lune est un corps différencié : sa structure en profondeur n’est pas homogène mais résulte d’un processus de refroidissement, de cristallisation du magma originel, et de migration du magma évolué. la norite riche en KREEP, (KREEP pour K-potassium, Rare Earth Elements [terres rares], P-phosphore) représente l’ultime évolution de cet océan de magma. Cette « norite KREEP » est en effet très enrichie en éléments incompatibles   NB: Comparé à celui de la Terre, la Lune a un champ magnétique très faible

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive On considère que la Lune est un corps différencié : sa structure en profondeur n’est pas homogène mais résulte d’un processus de refroidissement, de cristallisation du magma originel, et de migration du magma évolué.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive On considère que la Lune est un corps différencié : sa structure en profondeur n’est pas homogène mais résulte d’un processus de refroidissement, de cristallisation du magma originel, et de migration du magma évolué.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive La Lune: refroidissement rapide, perte de son atmosphère, sans activité géologique. ENREGISTRE l’impact du milieu spatial sur sa chimie, sa morphologie etc ………. 2 Exemples

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive La Lune: refroidissement rapide, perte de son atmosphère, sans activité géologique. ENREGISTRE l’impact du milieu spatial sur sa chimie, sa morphologie etc ………. 2 Exemples 1/ Craterisation des surfaces

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Caractéristiques de la Lune • Pas d’atmosphère → pas d’érosion • Impacts météoritiques → cratères • « Mers » et « hautes terres » • Complètement refroidie → pas d’activité tectonique • Albédo moyen : 7 %

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Taux de bombardement de la Lune (et de la Terre au cours du temps)

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Impacts et chronologie relative, limite mer-continent sur la Lune

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Relation âge / densité de cratères sur la Lune

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Impacts et chronologie relative, limite mer-continent sur la Lune 3.8 Ga 3.1 Ga

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Impacts et chronologie relative, limite mer-continent sur la Lune 3.8 Ga 3.1 Ga

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive La Lune: refroidissement rapide, perte de son atmosphère, sans activité géologique. ENREGISTRE l’impact du milieu spatial sur sa chimie, sa morphologie etc ………. 2 Exemples 1/ Craterisation des surfaces 2/ Origine des éléments legers sur la lune

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive De l’eau sur la Lune !!! "Nous y avons trouvé l'équivalent d'au moins une dizaine de seaux de 7,5 litres d'eau chacun » Anthony Colaprete NASA

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Hypothèses de travail ?

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Hypothèses de travail ? Origine interne Versus Origine externe

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Hypothèses de travail ? Origine interne Absence d’atmosphère Volatilisé et perdu (gravité trop faible) Température supérieure à 100 °C au Soleil Eau gelé au pole – dégazage magmatique ??

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Hypothèses de travail ? Origine externe Comètes et météorites

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LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Hypothèses de travail ? Origine externe = IMPLANTATION Vent solaire et réaction en surface H et O

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Hypothèses de travail ? Origine externe = IMPLANTATION Vent solaire et réaction en surface

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Hypothèses de travail ? Origine interne Versus Origine externe = Un peu de tout au moins trois sources !!!

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive - PLAN DU COURS II. Le système solaire – Les premiers instants Aperçu des Planètes et de leurs satellites La différenciation dans la nébuleuse solaire : Planètes Telluriques / géantes gazeuses Les « petits objets » (comètes, astéroïdes, météorites) : Classification et datation du système solaire Bilan chimique et modèles d’accrétions : exemple Terre-Lune Mise en évidence de l’évolution des protoplanètes : exemple Terre et Mars

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive ET LA TERRE ? Il y a 4.4 Ga, la Terre possède: une graine solide dominée par le fer métal et un noyau externe de métaux liquides, un manteau partiellement fondu (l’océan de magma) peut être avec une fine peau de roches refroidies au sommet -- la croûte primordiale = Anorthosite (comme la peau du lait!) PAS d’eau liquide.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Original planetary crusts from silicate differentiation Calcium-rich plagioclase feldspar (anorthosite) Floats in an anhydrous melt – moon, mercure? Olivine and Pyroxene Sinks in shallow magma ocean Remaining composition is called Basaltic

Concentrations relatives des éléments dans le manteau terrestre LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Concentrations relatives des éléments dans le manteau terrestre On peut distinguer 3 groupes d’éléments: les volatils, les sidérophiles et les réfractaires

Différenciation pendant la formation de la Terre LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Différenciation pendant la formation de la Terre Les éléments se séparent les uns des autres en fonction de leurs caractéristiques physico-chimiques (T de fusion, de sublimation, densité).

Classification des éléments chimiques selon Goldschmidt LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Classification des éléments chimiques selon Goldschmidt

La Terre un objet différencié Différenciation : séparation des matériaux constitutifs de la proto-Terre selon leur densité  Structure en couches Le fer très dense migre vers le centre pour former le noyau tandis que les silicates plus légers resteront en périphérie et formeront le manteau.

La Terre un objet différencié = Mise en évidence discontinuité de Gutenberg se situe à 2900 km de profondeur, c’est la limite noyau-manteau Le champ magnétique terrestre Le noyau externe est liquide

Différenciation au cours de l’accrétion LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Différenciation au cours de l’accrétion Terre primitive Matériel initial Noyau: considéré comme formé d’un alliage de Fe+Ni et d’un autre élément plus léger (données de géophysiques et composition des météorites de ferreuses. Manteau primitif = manteau avant extraction des croûtes océanique et continentale: Sa composition est évaluée grâce aux xénolithes de manteau, des basaltes et komatiites, des données géophysiques… Atmosphère: sa composition primitive est très incertaine. La composition du materiel initial du système solaire est estimé à partir de: Météorites: les chondrites carbonées, le groupe le plus primitif, sont habituellement choisies comme matériel d’origine pour la formation de la Terre. Atmosphère solaire :sa composition est établie grâce à des analyses spectroscopiques.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Bilan chimique mais avec qui ??

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Et pour simplifier !! Comment estimer la composition du manteau primitif en utilisant des roches d’une Terre diférenciée?

Problèmes avec l’accrétion homogène LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Problèmes avec l’accrétion homogène Pas un seul type de météorite n’a la composition du matériel initial adéquat. Il existe plusieurs propositions mais aucune n’explique toutes les données disponibles. L’existence de grains présolaires (inclusions réfractaires Ca-Al-Ti, microdiamants) indique que le matériel initial était hétérogène; la nature des grains indique que des parties de la nébuleuse n’ont jamais été chaudes. Il y a des évidences que le chauffage a été irregulier et que la température a grandement fluctué - les chondrules ont été chauffés très ponctuellement sans provoquer de perte notable en volatils.

Le scénario hétérogène! LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Le scénario hétérogène! Le matériel initial comprend plusieurs composants: Composant A - hautement réduit et sans volatils; Fe à l’état métal. Component B - oxydé et riche en volatils dans les proportions des CI; Fe est oxydé. Grains présolaires réfractaires. Les températures ont fluctué du fait des émissions de gaz et des radiations du jeune soleil instable. Des cycles de condensation et de sublimation se succèdent en différents points de la nébuleuse.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Si les grandes structures perdurent (noyau, manteau, croûte), les preuves des impacts précoces ont été effacées. Il y a 4.4 Ga, la Terre et la Lune sont formées. Les structures internes de la Terre actuelle sont en place. Mais la surface est intensément bombardée par des astéroides et des comètes. La chaleur issue de l’accrétion et de ce bombardement génère un volcanisme intense qui marque la surface qui est trop chaude pour l’eau liquide. La Terre a alors une atmosphère transitoire dominée par le CO2 qui est perdue dans l’espace lors des grands impacts.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Les plus grands impacts auraient effacé la vie en vaporisant tout océan précoce (judqu’à 3.8 Ga!!) De nombreux impacts étaient assez puissants pour vaporiser entièrement tout océan existant et pour créer une atmosphère de vapeur.

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive D’où vient l’eau de la Terre ? -D/H rules out comets -But only 3 Oort cloud comets have been measured -Bulk comet might be different than its coma -Jupiter family comets might have a different D/H (Condensed in Kuiper belt) -Mars D/H matches comets !!

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive D’où vient l’eau de la Terre ? -D/H rules out comets -But only 3 Oort cloud comets have been measured -Bulk comet might be different than its coma -Jupiter family comets might have a different D/H (Condensed in Kuiper belt) -Mars D/H matches comets !! -Asteroids i.e. CC match Earth’s D/H

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive D’où vient l’eau de la Terre ? -D/H rules out comets -But only 3 Oort cloud comets have been measured -Bulk comet might be different than its coma -Jupiter family comets might have a different D/H (Condensed in Kuiper belt) -Mars D/H matches comets !! -Asteroids i.e. CC match Earth’s D/H -Only Carbonaceous Chondrites have significant water (up to 20%) but 4% of the météorites !!

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive D’où vient l’eau de la Terre ? -D/H rules out comets -But only 3 Oort cloud comets have been measured -Bulk comet might be different than its coma -Jupiter family comets might have a different D/H (Condensed in Kuiper belt) -Mars D/H matches comets !! -Asteroids i.e. CC match Earth’s D/H -Only Carbonaceous Chondrites have significant water (up to 20%) but 4% of the météorites !!

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Comètes: peut être la source essentielle de l’eau sur Terre? Volcanisme: source de gaz (surtout du CO2) et Eau Une contribution du bombardement tardif d’astéroïdes et de comètes est son apport en volatils à une Terre appauvrie. Ces éléments sont devenus notre atmosphere, nos océans ……

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive MAIS PAS D’IMPLANTATION A PRIORI (noyau liquide dynamique) Magnétosphère