La chimie de la Terre

Introduction scientifique




Contacts :
 
Maud Boyet
mboyet@ens-lyon.fr
et
 Sylvain Pichat
spichat@ens-lyon.fr

Derniere modification: 17/01/01

Plan du module:


Quelques idees sur le module de 'Chimie de la Terre':
 

Introduction :

La géochimie consiste a regarder les mécanismes géologiques en appliquant les règles de la chimie. Pour partir sur de bonnes bases il faut donc redéfinir un certain nombre de règles et de concepts fondamentaux de chimie. Cette science est aujourd'hui largement considérée puisque les méthodes analytiques et les appareils de mesure fournissent de précieuses données d'une très grande précision. Les roches qui arrivent en surface ne nous renseignent pas sur les profondeurs terrestres et les plus vieilles semblent approcher les 4 milliards d'années. Pour comprendre le fonctionnement générale de notre planète nous devons regarder au delà de note atmosphère et replacer la Terre au sein du système solaire. Nous savons aujourd'hui que la Terre n'est pas une planète morte, cette dynamique terrestre se manifeste de manière spectaculaire à travers les tremblements de Terre ou encore les éruptions volcaniques. Il est alors nécessaire de comprendre cette dynamique: Quand et comment s'est formée la Terre? Comment a-t-elle évoluée depuis sa naissance? Quelle composition a-t-elle aujourd'hui?

Nous allons voir comment nous pouvons répondre à ces différentes questions d'un point de vue géochimique, avec quelles méthodes et quelles hypothèses de travail.
 
 

1 - Description actuelle : etat des connaissances

Nous savons que la Terre n'est pas une sphère homogène, les éléments chimiques se répartissent de manière concentrique. On distingue de la surface au centre de la Terre : la croûte, le manteau supérieur, le manteau inférieur, le noyau externe et la graine. La croûte se divise en deux sous-ensembles de compositions fortement distinctes : une croûte océanique basique et une croûte continentale plutôt acide. Il n'existe pas seulement une variation chimique verticale, on distingue également un grand nombre d'hétérogénéités chimiques de plus faibles amplitudes latéralement.

Nous ne pouvons pas estimer la composition moyenne de la Terre à partir des échantillons disponibles sur la surface terrestre. Ces derniers nous renseignent sur la partie superficielle mais les parties profondes restent plus énigmatiques. La composition globale de la Terre est définie à partir des météorites chondritiques. On fait donc l'hypothèse que ces météorites représentent le matériel du système solaire primitif et sont apparentées à la Terre.

 Composition des différents réservoirs : http://earthref.org/GERM/reservoirs/reservoirs.htm

Nous pouvons représenter ceci par l'intermédiaire d'une sphère, lorsqu'on clic sur la planète la composition moyenne apparaît. Pour avoir plus de détail on avance en zoomant (outil = loupe) et la les compositions des différentes couches concentriques apparaissent.
 
 

2 - Evolution de la Terre depuis sa formation

    2.1 - La formation de la Terre

La Terre appartient au système solaire et s'est formée en même temps que les autres planètes. On distingue le soleil au centre du système, les planètes intérieures eu telluriques (de Mercure à Mars), la ceinture d'astéroïdes et enfin les planètes géantes (de Jupiter à Pluton). Plusieurs planètes possèdent un ou plusieurs satellites, le plus proche de nous est évidemment la Lune. (Vue globale du Système solaire dans module de FRED) Les météorites, qui arrivent constamment sur la surface de la Terre proviennent essentiellement de la ceinture d'astéroïdes. Dès l’Antiquité, elles sont définies comme des " Pierres tombées du ciel " et vont restées énigmatiques pendant des siècles. Elles seront associées à la magie ou encore à la divinité. L’idée que ces pierres tombent vraiment du ciel fut admise par l’Académie des Sciences seulement en 1803. La Terre est constamment bombardée de météorites de taille variable allant de la poussière au véritable caillou. Elles pénètrent dans l’atmosphère terrestre avec une vitesse considérable (plusieurs Km/s), variant en fonction de la taille de la météorite et de son angle d’entrée dans l’atmosphère. Si on regarde la Lune, elle apparaît criblée de cratère (photos). L’absence d’eau et d’atmosphère implique un taux d’érosion beaucoup plus faible que sur notre planète et donc une préservation presque parfaite de ces impacts. L'atmosphère terrestre sert également de frein, elle réduit la vitesse de ces corps et donc la taille des impacts. On sait maintenant, grâce aux méthodes d’analyses pointues, que des fragments de la Lune et de Mars se retrouvent sur la surface terrestre. Ces fragments seraient dus à l’impact de météorites sur ces astres entraînant l’éjection de fragments.

D’aspect extérieur les météorites se ressemblent avec une surface toujours plus ou moins vitrifiée. Le frottement dans l’air conduit à un échauffement suffisant pour faire fondre la couche la plus externe. Des analyses chimiques plus précises ont conduit à établir une véritable classification.

Faire une classification des différentes météorites avec une composition moyenne pour chaque type, des photos macroscopiques et microscopiques si possible. Toujours selon le même modèle : une photo macroscopique, avec la loupe on passe en microscopique puis grâce à l'outil spectromètre de masse on peut avoir les compositions.

On considère que la composition globale de la Terre s'apparente à celle des corps du Système solaire les moins différenciés, les météorites de la famille des chondrites. Cette hypothèse de travail est primordiale et largement discutée à ce jour par la communauté scientifique.
 
 

       2.2 - L'age de la Terre

Cette question a toujours intéressée les scientifiques, ils ont fait des nombreuses estimations et ont appliqués des méthodes très diverses. Un modèle d'âge a pu être avancé en géochimie grâce à l'analyse de différents systèmes isotopiques sur des échantillons terrestres et météoritiques. On distingue trois événements majeurs au sein du système Terre-Météorites:

4.55Ga : fin de la condensation planétaire.

4.49Ga : fin de la condensation planétaire.

4.47Ga :âge de l'atmosphère.
 
 

3 - Evolution de la chimie de la Terre

Nous savons que la Terre n'est pas homogène aujourd'hui mais comment les éléments étaient-ils répartis lors de sa formation? Il s'est tres vite posé une question fondamentale : la Terre a-t-elle connu une différenciation au cours des temps géologiques (accrétion homogène) ou finalement cette forme globale en couches concentriques de compositions différentes date de sa formation (accrétion hétérogène). Nous savons aujourd'hui que la Terre devait être homogène et les différents processus de différenciation ont conduit à sa structure actuelle. Du matériel profond est extrait en continu (avec des périodes de différentes intensités) par l'intermédiaire des points chauds et au niveau des dorsales médio-océaniques. On retrouve à l'inverse du matériel de surface dans les profondeurs de la Terre. Ces témoignages permettent de discuter de la convection mantellique. Discussion et illustration des modèles à 1 couche ou 2 couches. Le refroidissement de la Terre au cours du temps a sans doute influencé la convection donc l'extraction de matériel vers la surface ainsi que le recyclage en profondeur.

Témoignages:

Le système isotopique Hf-W indique que le Noyau terrestre a été formé seulement quelques millions d'années après l'accrétion planétaire.

La géochimie isotopique a pu mettre en évidence des zones dans les profondeurs de la Terre de compositions isotopiques très différentes, on parle de réservoirs. Il est alors intéressant se comprendre leurs formations et leurs évolution.

Si on compare les échantillons actuels et les plus vieux échantillons issus du manteau supérieur (MORB), on remarque l'intérieur de la Terre semble beaucoup moins homogène aujourd'hui. Le manteau supérieur actuel est plus appauvri. L'appauvrissement en éléments traces augmente au cours du temps. (On peut établir de petits calculs : on part d'une roche mantellique classique (on peut faire varier la composition de la source) et on applique différents taux de fusion partielle, on va alors voir la composition du liquide qui remonte à la surface).

Par exemple, la présence de sédiments dans la source des basaltes hawaiiens confirme bien l'idée de recyclage , des slabs plongeraient bien dans les profondeurs du manteau (TOMOGRAPHIE SISMIQUE).
 
 
 

4- Les concepts de chimie utilises

    4.1 - Les notions de base de chimie

L'abondance des éléments chimiques résulte de réactions de fusion nucléaire. La fusion de noyaux légers (H, He) donne naissance à des noyaux plus lourds. La nucléosynthèse se produit dans les étoiles qui naissent par isolement gravitationnel d'une certaine masse de gaz interstellaire. C'est la contraction de la matière par gravité qui entraîne une augmentation de température favorisant la fusion de noyaux d'hydrogène. Ces réactions exothermiques maintiennent le haut niveau d'énergie nécessaire à la suite des réactions. Les éléments rentrant dans la composition des minéraux silicatés sont appelés majeurs, ils sont présents en même proportion sur Terre et dans l'Univers. Par contre, les éléments volatils et les gaz rares sont moins abondants sur Terre. Cette différence provient d'une phase de différenciation très précoce, les éléments volatils non encore condensés ont été expulsés sous l'action du vent solaire alors que les éléments majeurs combinés a l'oxygène forment rapidement des minéraux denses, surtout des silicates.

Si l'on regarde la distribution des abondances des éléments dans le Soleil on remarque que les éléments de numéro atomique pair sont plus abondants que ceux de numéro atomique impair. Pour éliminer cet effet, on normalise par rapport à une référence. Un spectre de terres rares par exemple est toujours normalisé aux chondrites, sa lecture en est alors facilitée.

Exemple pour l'utilisateur : spectre REE non normalisé et spectre normalisé.
 
 

Bref rappel sur la constitution de l'atome, certainement sous la forme d'une animation avec un noyau (protons + neutron), et des électrons périphériques qui gravitent autour. Ceci pour définir les notions de noyau, de nombre atomique et comprendre la notion d'isotope.
 
  En 1869, un chimiste russe, Dmitri Mendeleev commence à classer les éléments chimiques dans un tableau, dans l'ordre de leur numéro atomique, il les regroupe en lignes et en colonnes selon leur propriétés chimiques et physiques. On distingue un certain nombre de familles d'éléments ayant des propriétés très proches : les éléments alcalins (Li, Na, K, Rb Cs), les éléments alcalino-terreux (Be, Mg, Ca, Sr, Ba), les éléments de la famille du Titane (Ti, Zr, Hf), les halogènes (F, Cl, Br, I), les gaz rares (He, Ne, Ar, Kr, Xe), les lanthanides (terres rares) et enfin les actinides (famille de l'uranium). Nous n'allons pas expliquer en détail cette classification mais rappeler les noms attribués aux différentes colonnes (éléments alcalinsÞ gaz rares) et la variation de taille sur une même colonne ou sur une même ligne.

http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl - http://www.webelements.com/webelements/elements/

Nous n'avons pas besoin de toutes les informations disponibles sur ces sites. L'essentiel est la masse, les différents isotopes d'un élément avec leurs masses et leurs abondances.
 
 

Le processus de radioactivité résulte d'une instabilité du noyau. Rappeler brièvement les trois types de radioactivité (alpha, bêta et fission spontanée). Les notions à comprendre sont celles d'élément père (radioactif), d'élément fils (radiogénique) et de période de désintégration.

http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl

http://marwww.in2p3.fr/voyage/radioactivite.html

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/period/index.html (tableau périodique intéressant pour les systèmes isotopiques ci-dessous).

Principaux systèmes isotopiques appliqués aux Sciences de la Terre :

Description des différents systèmes en insistant sur la constante de désintégration et les propriétés chimiques des éléments pères et fils pour comprendre quel système isotopique sera le mieux adapté pour un problème posé.

Samarium/Néodyme - Uranium/Thorium/Plomb- Rubidium/Strontium- Lutécium/Hafnium- Potassium/Argon.
 
 

        4.2 - Les applications en géologie

Les éléments chimiques ont des affinités différentes selon certains minéraux. On peut distinguer de manière générale les minéraux lithophiles (Na, K, Si, Al, Ti, Mg, Ca) qui se concentrent préférentiellement dans la croûte et dans le manteau terrestre. Les éléments sidérophiles (Fe, Co, Ni, Pt, Re, Os) ont une affinité pour le fer, ils caractérisent le noyau. On distingue également les éléments calcophiles (Cu, Ag, Zn, Pb, S), ayant une affinité pour les sulfures ; puis les atmophiles (O, N, H, gaz rares), présents en grande majorité dans l'atmosphère.

Une notion importante est celle de "la compatibilité" : un élément est considéré comme incompatible si il a tendance à partir dans la phase liquide (le magma) au cours de la fusion. Les éléments préférant rester dans le résidu de fusion sont dits compatibles ou encore réfractaires. Un "gros" élément, par exemple, va avoir tendance à fuir la phase solide (milieu très ordonné) pour trouver plus de confort au sein du liquide.

Le comportement d'un élément va donc être défini en terme de coefficient de partage (D) entre une phase solide (un minéral) et une phase liquide (un magma).

Considérons un élément i: D = [i] solide / [i] liquide

si D<1, l'élément i est alors incompatible et va se concentré préférentiellement dans la phase liquide au cours de la fusion et de la cristallisation. Les éléments globalement incompatibles par rapport aux minéraux du manteau (olivine - pyroxène - spinelle - grenat) sont les fameux éléments lithophiles.

Si D>1, l'élément i est compatible, il va être retenu dans le manteau lors de la fusion et rentré dans la composition des premiers minéraux formés au cours de la cristallisation.

 Liste des coefficients de partage: http://earthref.org/GERM/reservoirs.htm

 Notion qui peut facilement se comprendre avec une animation.

Possibilité d'exercices.
 
 

Il existe des systèmes isotopiques où les éléments père et fils ont des comportement véritablement différents. Le couple W-Hf, par exemple, est fortement fractionné lors des processus de fractionnement métal-silicate. En effet l’Hf est un élément lithophile tandis que le W est un élément moyennement sidérophile. Ce système isotopiques a mis en évidence que la formation du noyau terrestre s'est produite dans les premiers temps de l'histoire de notre Planète.
 
  La datation absolue des objets géologiques est principalement réalisée par des phénomènes nucléaires naturels. Il ne faut pas perdre de vue que les objets terrestres recouvrent plusieurs milliards d'années, des méthodes de datations différentes sont alors mis en œuvre. La datation par Carbone 14, par exemple, s'applique sur l'intervalle actuel - préhistoire. Ceci ne recouvre finalement qu'un très petite partie de l'échelle de temps géologique. La chimie initiale de la roche à dater favorise certains systèmes radioactifs. Les roches crustales, généralement riches eu uranium peuvent être datées avec la méthode U-Pb.

Principe de l'isochrone :

A réfléchir !!!!!

Que signifie vraiment l'âge obtenu?

Le principe de datation consiste à mesurer la concentration d'un élément père radioactif et celle de son élément fils radiogénique. Pour interpréter ces mesures en terme d'âge, plusieurs conditions doivent être respectées : la source de l'échantillon est considérée isotopiquement homogène et le système a fonctionné en système clos depuis l'âge de la roche (fermeture du système isotopique) jusqu'à nos jours. Si le système (la roche par exemple) a connu une perturbation alors l'âge est faux et nous renseigne sur cette perturbation. Les roches sont aisément perturbées par le métamorphisme. Un âge est toujours donné avec une certaine incertitude, cette dernière augmentant avec l'âge de l'objet. La précision des mesures sur les rapports isotopiques est très forte aujourd'hui grâce au développement de techniques analytiques et d'appareils de mesures de plus en plus performants.
 
 

Il est classiquement considéré que deux isotopes d'un même élément ne subissent pas de fractionnement chimique au cours de la formation d'un magma (fusion partielle) et de son évolution (cristallisation). C'est pourquoi un magma conserve la signature isotopique de sa source. Ceci signifie qu'un basalte actuel issu de la fusion du manteau supérieur va nous renseigner sur la composition isotopique à ce jour de la source. Si au contraire, on analyse des basaltes de 4 milliards d'années, on peut se faire une idée de la composition précoce de ce même manteau supérieur. Pour des échantillons anciens, il est nécessaire de faire une correction d'âge (corriger de la désintégration radioactive qui s'est produite pendant l'intervalle de temps (cristallisation-actuel). La géochimie isotopique est devenue une partie forte de la géochimie puisqu'elle a permis de mettre en évidence des processus dynamiques important.
 
 
 
 

5 - Les méthodes employees par les geochimistes: appareils et techniques de mesures

        5.1 - Séparation chimique

Comment fait-on pour partir d'une roche et arriver à analyser un seul élément? Comment mesurer des quantités aussi faibles?

Généralement les échantillons prélevés sur le terrain sont dans un premier temps broyer pour obtenir une poudre, aussi fine que de la farine, représentant la roche totale. Les roches sont composées de différents minéraux ayant des propriétés chimiques et physiques différentes. L'attaque de l'échantillon, appelée également digestion, est réalisée par l'action d'acides concentrés (acide fluorhydrique, acide nitrique, acide perchlorique) qui cassent les liaisons atomiques. L'échantillon, placé dans un récipient en Téflon (matière résistante aux acides forts), est chauffé pendant 48 heures (150°C) en présence de plusieurs acides. Au final l'échantillon n'est plus sous forme solide mais liquide. Certains minéraux (le grenat pas exemple) sont plus résistant et demandent des techniques plus perfectionnées.

Si l'utilisateur souhaite, par exemple, savoir les concentrations d'éléments traces présents dans son échantillon, il analyse directement cette solution totale par ICP-MS. Les concentrations des éléments traces dans un échantillon sont de l'ordre du ppm (partie par million = 10-6) et les appareils de mesures actuels sont capables de mesurer des concentrations au ppb (partie par billion = 10-9)

Si par contre l'utilisateur souhaite connaître des compositions isotopiques, il doit éliminer les éléments dont il n'a pas besoin de cette solution initiale. On parle de purification puisqu'à la fin des préparatifs un seul élément restera dans cette solution. Cette phase de séparation est possible grâce à au pouvoir séparateur de résines placées dans uns colonne.
 
 

        5.2 - Méthodes de mesure

La principale méthode de mesure est la spectrométrie de masse. Le fonctionnement est très simple et comme son nom l'indique il est basé sur les variations de masse entre les éléments chimiques ou entre les isotopes d'un même élément. Le principe peut être représenté par une animation (domaine de la physique).
 
 

Idées de programmes divers :

http://earthref.org/GERM/codes/petrology.htm