Isotopes du fer et composition chimique du noyau terrestre

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

À partir d’une composition 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. Plusieurs méthodes ont été employées pour tester les éléments susceptibles d’être associés au fer dans le noyau.

Le fractionnement des isotopes stables des éléments chimiques dans les processus géologiques est bien connu. La différence de masse entre isotopes d’un même élément peut induire des différences d’affinité pour certaines molécules ou structures cristallines. Lorsqu’un isotope lourd ou léger s’incorpore préférentiellement dans un minéral, un fractionnement isotopique mesurable distingue la phase cristallisée (enrichie en isotope de plus forte affinité) de la phase résiduelle.

Ces fractionnements dépendent de la température (le fractionnement diminue lorsque la température augmente) et de la différence de masse relative entre isotopes (plus marquée quand l’écart est grand). Quelques études antérieures semblaient montrer un faible effet de la pression… mais à basse pression.

Une équipe de chercheurs a récemment montré le potentiel de l’étude isotopique du fer pour déterminer la composition du noyau. Le fractionnement entre les isotopes 57Fe et 54Fe a été étudié selon que le fer ayant migré vers le noyau était pur ou combiné à O, H ou C. À de hautes pressions (environ 60 GPa) et températures (3 500 K) compatibles avec la différenciation d’un « océan magmatique », les chercheurs ont observé des fractionnements isotopiques distincts.

Les résultats montrent que l’incorporation de H ou de C dans le noyau terrestre produirait un fractionnement isotopique observable dans le manteau, ce qui n’est pas le cas : hydrogène et carbone sont donc écartés comme éléments légers majeurs. L’oxygène, dont l’effet isotopique est faible, reste un constituant possible.

Des études complémentaires sont prévues pour tester d’autres éléments (Si, S), ainsi que l’influence du nickel ou d’autres paramètres à très haute pression.

CNRS

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

Article scientifique : 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, vol. 352, n° 6285, pp. 580-582.

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Article rédigé par O. D. —