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Paris, 15 Juin 2015

La piste du cuivre révèle la présence de soufre dans le noyau terrestre

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 isotopes1 du cuivre de différentes roches de la croûte et du manteau terrestre et en les comparant avec la composition chimique de météorites, témoins de la formation de la Terre. 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.

De nombreuses mesures sismiques posent depuis longtemps une énigme aux scientifiques : le noyau terrestre semble trop léger pour être seulement composé de fer pur et de nickel. Des hypothèses postulent qu'un certain nombre d'éléments plus légers, tels que le carbone, l'oxygène, le silicium ou le soufre existent dans le noyau. Celui-ci étant situé à 2900 kilomètres sous la surface de la Terre, il est impossible d'avoir accès à des échantillons physiques. Alors comment déterminer sa composition ? En suivant, par exemple, les traces laissées par différents composés dans la chimie du manteau de la Terre lorsqu'ils ont migré au centre de notre planète pour former le noyau2. 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 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, 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 représentent donc la composition isotopique du manteau et du noyau). Ils interprètent ces résultats comme étant la conséquence de la séparation 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 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 et de pression que celles existant lors de la séparation du noyau et du manteau. L'analyse de la composition isotopique des matériaux (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.


Notes :

1Les isotopes sont des atomes d'un même élément mais de masses différentes.
2Lors de la formation de la Terre, des impacts très énergétiques ont fait fondre le manteau terrestre et créé un océan de magma à partir duquel le métal, plus lourd, s'est séparé des silicates par différence de densité et a migré, grâce à la gravité, vers le centre de la Terre pour former le noyau.

Références :

Copper isotope evidence for large-scale sulphide fractionation during Earth's differentiation. P.S. Savage, F. Moynier, H. Chen, J. Siebert, J. Badro, I.S. Puchtel, G. Shofner.Geochemical Perspective Letters, 17 juin 2015.

Contacts :

Chercheur l Frédéric Moynier l T 01 83 95 77 88 l moynier@ipgp.fr
Presse CNRS l Alexiane Agullo l T 01 44 96 43 90 l alexiane.agullo@cnrs-dir.fr


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