La piste du cuivre révèle la présence de soufre dans le noyau terrestre
Publié par Redbran le 19/06/2015 à 12:00
Source: CNRS-INSU
Des chercheurs de l'Institut de physique du globe de Paris (CNRS/IPGP/Université Paris Diderot) ont apporté, pour la première fois, la preuve chimique de la présence de soufre dans le noyau de la Terre. Ils ont déterminé la composition du noyau terrestre, inaccessible aux scientifiques, en analysant les isotopes du cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur...) de différentes roches de la croûte et du manteau terrestre et en les comparants avec la composition chimique de météorites, témoins de la formation de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). Leur méthodologie, présentée dans Geochemical Perspective Letters le 17 juin 2015 sera, de plus, adaptable à tous types d'environnements et même à d'autres planètes.


Évolution de la concentration et de la composition isotopique du cuivre dans le manteau terrestre. Dans un premier temps, la formation du noyau sequestre ~60% du cuivre et enrichit le manteau en isotopes légers du cuivre. Dans un second temps, la ségrégation d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) sulfuré, riche en isotopes légers du cuivre, enrichit le manteau actuel en isotopes lourds du cuivre. Ce liquide sulfuré s'est ensuite mélangé avec le noyau. Le soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) contenu dans le liquide correspond à 0.5% de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave). Ces...) du noyau. © Moynier et al. 2015
De nombreuses mesures sismiques posent depuis longtemps une énigme aux scientifiques: le noyau terrestre semble trop léger pour être seulement composé de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer pur...) pur et de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.). Des hypothèses postulent qu'un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'éléments plus légers, tels que le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) ou le soufre existent dans le noyau. Celui-ci étant situé à 2900 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) sous la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) de la Terre, il est impossible d'avoir accès à des échantillons physiques. Alors comment déterminer sa composition ? En suivant, par exemple, les traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne...) laissées par différents composés dans la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage...) du manteau de la Terre lorsqu'ils ont migré au centre de notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique, c'est-à-dire sous une...) pour former le noyau . Le soufre étant trop volatil - il passe facilement à un état gazeux - pour laisser ce type d'empreintes, les chercheurs ont utilisé le cuivre, un élément chimique chalcophile, c'est-à-dire qu'il se rencontre fréquemment en association avec le soufre, afin de retracer la destinée du soufre jusqu'au noyau terrestre.

Les chercheurs ont regroupé un grand nombre d'échantillons de laves issues du manteau et de roches de la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui constitue les plaques tectoniques).) pour en déterminer la composition isotopique en cuivre et ainsi évaluer la composition du manteau terrestre. Ils ont ensuite comparé ces résultats à la composition isotopique des météorites. Ces dernières représentent la Terre dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise...), comme si elle n'avait pas été différenciée en un manteau et en un noyau. Les chercheurs ont ainsi découvert que le manteau terrestre était appauvri en isotopes légers du cuivre par rapport aux météorites (qui représente donc la composition isotopique du manteau et du noyau). Ils interprètent ces résultats comme étant la conséquence de la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) d'un liquide sulfuré (riche en isotopes légers du cuivre) des autres composants chimiques à la fin de la cristallisation du manteau terrestre. Ce liquide sulfuré, plus lourd que le reste du manteau, aurait plongé à la base du manteau et se serait ensuite mélangé avec le noyau terrestre. A partir de la différence de composition isotopique entre le manteau et le noyau, les chercheurs ont estimé que la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de liquide sulfuré qui s'est retiré du manteau représente 0,5% du noyau.

Afin de confirmer leurs résultats, les chercheurs ont réalisé une série d'expériences en laboratoire. Ils ont reconstitué la composition chimique de la Terre et l'ont soumise aux mêmes conditions de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) que celles existant lors de la séparation du noyau et du manteau. L'analyse de la composition isotopique des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (sulfures et silicate) produit lors de ces expériences valide l'hypothèse qu'un liquide sulfuré s'est bien séparé des composants du manteau de la Terre primitive.

Ces résultats, qui apportent une preuve de la présence de soufre dans le noyau terrestre, ont été obtenus grâce à cette méthode originale de suivi du cuivre que les chercheurs souhaitent pouvoir adapter à toutes sortes d'environnements, y compris d'autres planètes comme Mars, à partir du moment où des échantillons d'autres manteaux planétaires seront disponibles pour les comparaisons.
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