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Paris, 19 février 2012

Les rayons X éclairent l'intérieur de la Lune

Le magma lunaire profond est trop dense pour produire des volcans actifs. Contrairement à la Terre, notre Lune n'a pas de volcans actifs, et les traces de son activité volcanique passée datent de plusieurs milliards d'années. Ceci est plutôt surprenant car l'enregistrement récent de “tremblements de Lune” suggère qu'il existe une grande quantité de magma liquide à l'intérieur de la Lune et que les minéraux présents à cette profondeur sont en fusion. Des scientifiques ont maintenant trouvé une bonne raison pour expliquer cette vie paisible en surface : la roche brûlante et fondue au cœur de la Lune pourrait être si dense qu'elle est tout simplement trop lourde pour s'élever jusqu'à la surface comme une bulle dans l'eau bouillante. Pour réaliser leur expérience, les scientifiques ont reproduit des copies de roches lunaires ramassées lors des missions Apollo et les ont fait fondre à des pressions et températures extrêmement élevées, semblables à celles qui existent à l'intérieur de la Lune. Ils ont ensuite mesuré leurs densités grâce à des rayons X très puissants. Les résultats sont publiés dans le journal Nature Geosciences du 19 février 2012.

L'équipe était dirigée par Mirjam van Kan Parker et Wim van Westrenen de l'université d'Amsterdam VU et comprenait des scientifiques des universités de Paris 6 et Lyon 1 associés au CNRS, de l'université d'Edimbourg et de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility).

Quatre décennies après les missions Apollo, la formation et l'histoire géologique de la Lune sont encore en grande partie inconnues. Les astronautes n'ont pas seulement rapporté environ 380 kilos de roches lunaires, ils ont également mis en place de nombreux instruments scientifiques. L'année dernière, des scientifiques de la NASA ont publié un nouveau modèle de composition de l'intérieur de la Lune, grâce aux données des “tremblements de Lune” enregistréespar les sismographes placés au cours des missions Apollo. Renée Weber et ses collègues assurent que les parties des plus profondes du manteau lunaire, à la limite du petit noyau métallique, sont partiellement fondues, dans une proportion de un tiers maximum. Dans la Terre, ces corps magmatiques ont tendance à se déplacer vers la surface, provoquant des éruptions volcaniques. Si l'intérieur de la Lune contient de telles quantités de magma, comment se fait-il que nous n'assistions pas à de spectaculaires éruptions à sa surface ?

La force principale à l'origine du mouvement du magma vers la surface est la différence de densité entre le magma et les matériaux solides environnants, poussant le magma liquideà remonter lentement comme une bulle. Moins le magma liquide est dense, plus le mouvement de remontée est violent.

Afin de déterminer la densité du magma lunaire, Wim van Westrenen et ses collègues ont synthétisé de la roche lunaire dans leur laboratoire d'Amsterdam, se servant de la composition des échantillons collectés sur la Lune par les missions Apollo comme d'une recette. Les pressions et les températures dans les régions proches du noyau lunaire sont supérieures à  45 000 bars et d'environ 1500 degrés. Il est possible d'appliquer ces conditions extrêmes sur de petits échantillons, en les chauffant avec un courant électrique et en les écrasant dans une presse. La densité de ces échantillons peut alors être mesurée en envoyant des rayons X très puissants produits à l'ESRF. En effet, les rayons X sont différemment absorbés si le matériau est solide ou fondu. « Nous avons dû utiliser les rayons X les plus brillants au monde pour cette expérience, car l'échantillon de magma est microscopique, confiné dans une cellule massive difficile à traverser par des rayons X. Sans l'intensité extrême des rayons X synchrotron, il est impossible de mesurer ces variations de densité » précise Mohamed Mezouar de l'ESRF.

Les mesures à l'ESRF ont été complétées par des simulations informatiques pour calculer la densité du magma à différents points dans la Lune.

La plupart des magmas lunaires se sont révélés moins denses que leur voisinage solide, de façon très semblable à ce qui existe à l'intérieur de la Terre. A une exception près, très importante : de petites inclusions de verre riche en titane, trouvées pour la première fois dans
des échantillons récoltés au cours de la mission Apollo 14, produisent un magma liquide aussi dense que les roches présentes dans les parties les plus profondes du manteau lunaire aujourd'hui. Ce magma ne peut donc pas remonter vers la surface.

Un tel magma riche en titane peut seulement s'être formé à partir de roches solides riches en titane. Des expériences précédentes ont montré que de telles roches sont apparues, peu de temps après la formation de la Lune, à de faibles profondeurs, proches de la surface. Comment
ont-elles ensuite migré plus profondément dans le manteau ? Les scientifiques supposent que de larges mouvements verticaux ont dû se produire assez tôt dans l'histoire de la Lune, au cours desquels les roches riches en titane, plus lourdes, sont descendues vers la frontière
entre le manteau et le noyau. « Après la descente, du magma s'est formé à partir de ces roches riches en titane et s'est accumulé au fond du manteau – un peu comme un volcan, mais inversé. Aujourd'hui, la Lune continue à refroidir, ainsi que les matériaux en fusion qui sont à l'intérieur. Dans le futur, les parties les plus froides qui se solidifient peu à peu seront plus denses que les roches actuelles. Le magma plus léger pourra peut-être alors remonter vers la surface et former un volcan actif sur la Lune – quel beau spectacle ce serait ! Mais ce n'est qu'une hypothèse, que seules de nouvelles expériences pourraient valider,» conclut Wim van Westrenen.

appolo 11

© NASA

Buzz Aldrin, plaçant un sismographe sur la Lune au
cours de la mission Apollo 11.


appolo 17

© NASA

Apollo 17 au bord du Cratère Shorty, que l'on pensait être, il y a quarante ans, un volcan lunaire éteint. La roche lunaire collectée à cet endroit contient du verre riche en titane, du même type que celui que l'on a étudié à l'ESRF.




Références :

Neutral buoyancy of titanium-rich melts in the deep lunar interior, Mirjam van Kan Parker et al., Nature Geoscience advanced online publication, 19 February 2012, DOI 10.1038/NGEO1402.

Contacts :

VU University Amsterdam l Wim van Westrenen l T +31 20 598 7279 l w.van.westrenen@vu.nl

ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) l Claus Habfast l T +33 (0) 4 76 88 21 28 l claus.habfast@esrf.fr

CNRS l Julien Guillaume l T + 33 (0) 1 44 96 46 35 l julien.guillaume@cnrs-dir.fr


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