Formation de la Terre : une étude remet en question l’hypothèse historique du « vernis tardif »

Contrairement à l’hypothèse fondatrice du « vernis tardif » (« late veneer »), proposée dans les années 1970, la Terre n’aurait pas connu d’apports importants de matériaux sidérophiles, ayant une forte affinité avec le fer, une fois la formation de son noyau achevée. Une équipe internationale de chercheuses et chercheurs menée à l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Sorbonne Université / CNRS / Muséum national d’Histoire naturelle) et de l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP-UMR, CNRS / Institut de physique du Globe de Paris / Université Paris Cité), a pu obtenir ces nouveaux résultats en reproduisant en laboratoire les conditions de pression et de température extrêmes de la formation de la Terre. L’étude est publiée dans la revue Science Advances.

Vue d’artiste de la formation de la Terre, il y a 4,5 milliards d’années ©Ingrid Blanchard

Il y a 4,5 milliards d’années, la Terre était couverte d’un océan magmatique d’une profondeur de plus de 1500 km dans lequel les éléments chimiques se sont séparés en fonction de leurs affinités pour le fer ou pour le silicate, un composé chimique associant le dioxyde de silicium à divers oxydes métalliques. Cette séparation a permis la formation des deux principaux réservoirs terrestres que sont le noyau et le manteau. Cette différenciation entre le noyau et le manteau est fondamentale dans l’histoire de la Terre, car une fois la formation du noyau achevée, les échanges chimiques entre les deux sont devenus impossibles. Les éléments hautement sidérophiles auraient dû être massivement piégés dans le noyau terrestre, or ils sont présents dans le manteau terrestre en relativement grande quantités, et dans des proportions proches de celles des météorites ayant formé la Terre. 

Cette observation géochimique a mené à l’hypothèse du « vernis tardif », formulée dans les années 1970. Elle explique qu’une fois la différenciation noyau-manteau terminée, des météorites auraient apporté des éléments sidérophiles sur Terre dans la partie solidifiée du manteau. Il s’agirait du dernier apport de masse conséquent sur la planète, apportant 0.5% de sa masse totale. Ce scénario a permis l’émergence de l’idée selon laquelle les éléments indispensables au développement de la vie tels que le carbone et l’eau seraient arrivés sur Terre par le même biais.

Dans cette étude, l’équipe de recherche a recréé au laboratoire les conditions de pressions et de températures extrêmes de la différenciation terrestre, qui sont de l’ordre de plusieurs centaines de milliers de fois la pression atmosphérique et plusieurs milliers de degrés Celsius. Pour ce faire, ils ont utilisé les cellules à enclumes de diamants couplées à un chauffage laser et ont ensuite analysé les échantillons récupérés à l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble. Ces expériences ont mis en évidence le rôle prépondérant de la température, sur le partage entre le noyau et le manteau, des éléments hautement sidérophiles étudiés (l’or, le rhénium, le palladium, l’iridium et l’osmium). En effet, aux conditions de la formation du noyau terrestre, ces éléments sont bien moins sidérophiles, et voient leur affinité pour les silicates augmenter. En utilisant des modèles numériques de formation de la Terre, les chercheurs ont pu démontrer que les teneurs relatives au manteau terrestre de ces éléments peuvent être expliquées par les effets de haute température qui avaient lieu lors de la différenciation terrestre. 

Ce résultat permet une nouvelle vision de l’augmentation de la taille de la Terre, de la Lune et des autres planètes telluriques du système solaire sans faire appel à un important vernis tardif. Il s’agit d’une avancée majeure, car l’hypothèse du vernis tardif avait été proposée depuis plusieurs décennies comme vecteur d’éléments volatils indispensables au développement de la vie. Cette nouvelle hypothèse propose donc que les éléments tels que l’eau et le carbone aient été présents très tôt dans l’histoire de la Terre, et non apportés une fois la différenciation terminée. 

Consulter l’article de Science Advances : Core formation resolves Earth’s siderophile excess without a late veneer | Science Advances