Isotopes du fer et composition chimique du noyau terrestre

Mesure des effets isotopiques des éléments légers associés au fer lors de la formayion du noyau.

À partir d'une composiion chimique globale de la Terre semblable à une chondrite et en connaissant la composition chimique des roches de surface et du manteau, on sait que le noyau terrestre est composé essentiellement de fer. Cependant, la sismique montre que la densité du noyau implique la présence d'éléments plus légers dans le noyau. Plusieurs méthodes ont été employée pour tester les éléments "légers" potentiellement associés au fer dans le noyau.

Le fractionnement des isotopes stables des éléments chimiques dans les processus géologiques est connu. La différence de masse entre les isotopes d'un même élément peut induire des différences d'affinité pour des molécules ou structures cristallines. Du fait de l'incorporation préférentielle de l'isotope lourd (ou léger) dans un minéral, un fractionnement isotopique peut alors être mesuré et premet de distinguer, par exemple, la phase résiduelle (enrichie en isotope non incorporé) de la phase cristallisée (enrichie en l'isotope de plus forte affinité).

Ces fractionnements sont dépendants de la température (le fractionnement diminue lorsque la température augmente), de la différence de masse relative entre les isotopes (fractionnement plus marqué lorsque la différence de masse est plus importante). Quelques études semblaient montrer le faible effet de la pression... à basses pression.

Une équipe de chercheurs vient de sortir une étude montrant le potentiel de l'étude isotopique du fer pour déterminer la composition du noyau. Le fractionnement entre les isotopes 57 et 54 du fer a été étudié selon que le fer qui a migré vers le noyau était du fer pur ou du fer lié à O, H ou C. L'étude montre qu'à de hautes pression compatible avec les conditions de ségrégation chimique lors de la formatyion du noyau à partir d'un "océan magmatique", on observe des fractionnements isotopiques non négligeables et disctincts pour le fer, pur ou en alliage avec O, H ou C. En combinant les effets mesurés à 60 GPa, atténués par une température élevée (3500 K), les chercheurs ont estimé le fractionnement induit entre le noyau et le manteau terrestre, résultats de la différenciation de l'océan magmatique initial. En prenant comme hypothèse que le manteau est de composition chondritique, il s'avère que l'incorporation de H ou de C dans la noyau pour expliquer la densité actuelle du noyau engendrerait un fractionnement isotopique du fer dans le manteau tel qu'il serait aujourd'hui observable. Hydrogène et carbone sont donc écartés de la liste des éléments légers "majeurs" contribuant à la composition du noyau. Pour l'oxygène, le faible effet isotopique en fait un constituant potentiel.

Des études complémentaires sont envisagées poour tester d'autres élements (Si, S), ainsi que l'effet de la présence de Ni ou d'autres effets liés aux très hautes pressions.

 Le communiqué de presse du CNRS : Le rôle de la pression dans la composition du noyau terrestre.

L'article de recherche : A. Shahar, E. A. Schauble,R. Caracas, A. E. Gleason,M. M. Reagan,Y. Xiao,J. Shu, W. Mao, 2016. Pressure-dependent isotopic composition of iron alloys, Science, 352, 6285, 580-582

Sur Planet-Terre :

- Comment estime-t-on la composition chimique du noyau ?

- Comment sait-on que le noyau terrestre est composé essentiellement de fer ?

- Composition du noyau et du manteau terrestre