Solidification de l'océan de magma lunaire et dynamique des cumulats

Résumé de la thèse

La croûte lunaire est principalement composée d’anorthosite, une roche de faible densité qui cristallise à basse pression (~1GPa).

L’enrichissement en anorthite de la croûte lunaire, mis en évidence grâce aux échantillons des missions Apollo, a apporté des preuves en faveur de la formation de la Lune par un impact géant entre la proto-Terre et un corps de la taille de Mars.

De plus, la croûte lunaire présente une dichotomie marquée : sur la face visible, son épaisseur varie entre 20 et 30 km tandis que sur la face cachée elle atteint 50 à 60 km.

À partir d’un simple diagramme de phase eutectique, nous avons développé un modèle décrivant la solidification de l’océan magmatique lunaire (LMO) en deux étapes de cristallisation.

Ce modèle nous a permis d’estimer un intervalle de temps pour la solidification du LMO, en tenant compte de la teneur initiale en anorthite, de la composition eutectique et de la conductivité thermique de la croûte. En combinant cet intervalle avec les vitesses de refroidissement dérivées des roches lunaires, nous avons estimé une plage de temps pour la formation de la Lune comprise entre 4400 et 4560 Ma.

Dans un second temps, nous avons étudié le retournement mantellique lunaire d’un point de vue thermique, lié au profil de température instable en fin de seconde étape de cristallisation. En supposant un changement de phase par fusion et/ou cristallisation à l’interface entre le manteau et le LMO, nous montrons qu’un retournement rapide de degré un peut survenir au début de la seconde étape. La présence de ce retournement pourrait affecter la cristallisation de la croûte par un flux thermique différentiel à la surface du manteau ou par la persistance d’une perturbation de degré un.

Solidification of the lunar magma ocean and dynamics of the cumulates

The lunar crust is mostly composed of anorthosite, a low-density rock that crystallizes at low pressure (~1GPa).

The enrichment in anorthite within the lunar crust, revealed by Apollo mission samples, provided evidence for the formation of the Moon through a giant impact between the proto-Earth and a Mars-sized body.

Furthermore, the lunar crust is characterized by a significant dichotomy: on the near side, the crustal thickness ranges from 20-30 km, whereas on the far side it reaches 50-60 km.

Using a simple eutectic phase diagram, we developed a model for the solidification of the Lunar Magma Ocean (LMO) in two stages of crystallization.

With this model, we estimated a range for the solidification timescale of the LMO, taking into account the initial composition in anorthite content, the eutectic composition, and the thermal conductivity of the crust.

Combining this timescale with cooling rates derived from lunar rocks, we estimated a range for the formation of the Moon between 4400 and 4560 Myr. 

Secondly, we investigated the lunar mantle overturn from a thermal perspective, driven by the unstable temperature profile at the end of the second crystallization stage. Assuming phase changes by melting and/or crystallization at the interface between the mantle and the LMO, we show that a rapid degree-one overturn can occur at the beginning of the second stage. The presence of such an overturn could affect crustal crystallization through differential heat flux at the surface of the mantle or through the persistence of degree-one perturbations.