Composition chimique globale de la Terre

Les sismologues qui oscultent la Terre ont montré, dès la première moitié du XXe siècle, que la planète est hétérogène et constituée d'enveloppes concentriques : croûte, manteau, noyau. Seuls les matériaux des croûtes continentale et océanique et du manteau supérieur sont directement accessible à la surface de la Terre. Pour des profondeurs supérieures à 400 km, on utlise des données sismiques et des expériences à haute pression et à haute température pour construire des modèles minéralogiques et chimiques de la Terre. L'étude des météorites, fragments de planétoïdes qui se sont formés en même temps que les planètes du système solaire, permet de compléter ces modèles.

Comment déterminer la composition minéralogique et chimique du manteau profond ?

  • La composition chimique des minéraux de la Terre

• Le site de l'université de Potsdam (http://www.gfz-potsdam.de/pb4/pg1/dataset/thermo/phases.html) présente la formule chimique d'un grand nombre de minéraux de la Terre. Cette composition pourra être également retrouvée en détail sur le site Webmineral du BRGM (http://webmineral.brgm.fr:8003/mineraux/Main.html).
• Sur le site de l'université de Potsdam, on trouvera également, à la page http://www.gfz-potsdam.de/pb4/pg1/dataset/reactions.html, de nombreuses réactions chimiques qui ont été testées expérimentalement entre certains minéraux.
• Pour réaliser de tels tests expérimentaux, il faut élever la pression et la température de façon considérable. Pour cela, on utilise une cellule à enclume de diamant. Voici quelques sites décrivant cette cellule :

http://www.uottawa.ca/services/markcom/
gazette/000602/000602-art05a-f.html
http://www.cheminst.ca/ncw/
articles/fpressure.html
http://www.tau.ac.il/ramot/
danvils/dac.html
http://www.esc.cam.ac.uk/
astaff/shen/dac.htm

Le site italien de l'université de Rome décrit l'histoire des expérimentations sur la minéralogie du noyau et des expérimentations à haute pression.

L'utilisation de cette enclume de diamant offre de nouvelles voies de recherche comme le montre les deux citations suivantes :

LES LAUREATS DE LA MEDAILLE DE BRONZE DU CNRS 1999 : "Cette médaille récompense les travaux de Denis Andrault, 35 ans, maître de conférences et membre du laboratoire "Physique des géomatériaux" (CNRS-Institut de physique du globe), à Paris et de Guillaume Fiquet, 34 ans, chargé de recherche au CNRS, au laboratoire de "sciences de la Terre" (CNRS-ENS de Lyon-Université Lyon 1), à Villeurbanne. Ils ont mené conjointement un important projet de minéralogie expérimentale de haute pression et haute température en concevant une expérience de diffraction de rayons X sur une ligne de l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble, associée à un système de cellule à enclume de diamant et à chauffage laser, qui a permis d’atteindre respectivement 200 Gpa et 4000 K. Les conditions reproduites sont celles du manteau et du noyau terrestre. Cette expérience est pour l’instant unique au monde. Ils ont, ainsi, pu préciser les équations d’état et les transitions de phase des minéraux majeurs du manteau terrestre et procurer des données essentielles pouvant être comparées aux données issues de la sismologie...".
D 'après la page http://www.cnrs.fr/cw/fr/nomi/prix/bronze99.html

"Sujet proposé par Philippe GILLET. À quelques 3000 km à l'intérieur de la Terre, la pression est de l'ordre de 135 GPa et la température aux alentours de 3500 K. Dans la Terre profonde, les matériaux adoptent alors des structures nouvelles. Il est possible de reproduire expérimentalement ces conditions de pression et de température en plaçant des échantillons dans une cellule à enclume de diamant et en les chauffant avec un laser à infrarouge. Alors, une analyse in situ de l'échantillon (par diffraction X ou spectroscopie Raman) peut nous donner une mesure expérimentale de l'équation d'état. Ce type d'expériences, réalisé à l'ESRF (Synchrotron de Grenoble), nous donne une série de mesure du volume en fonction de la pression et de la température. Le projet consistera à minimiser ces données sur une équation physique à trois paramètres (Birch-Murnaghan) et d'en extraire par inversion la valeur de ces paramètres (Compressibilité X et variations de la compressibilité avec la pression dX/dp et la température dX/dT) reproduisant au mieux les données."
D'après la page http://www.ens-lyon.fr/~hcardon/projets_info96.html

 

  • L'apport des météorites à la connaissance du noyau

De nombreuses informations sur les météorites peuvent être retrouvées sur ce cédérom dans une page du chapitre 1.

 

Travaux pratiques informatisés

Comparaison entre la composition des enveloppes de la Terre et celle des différentes météorites

Cette comparaison sera faite à partir des données du manuel scolaire.

1) Charger le fichier excel présent sur le cédérom en cliquant sur meteo1.xls
(voir une copie d'écran du tableau)

2) À partir de ce tableau, réaliser une moyenne pour les données où un minimum et un maximum sont donnés. Pour cela, remplir les cellules en rose sur le tableau avec la formule adéquate.
(voir une copie d'écran avec les formules)

3) Réaliser le tableau 2 en copiant les colonnes correspondantes (attention, il ne faut copier que les valeurs, pas les formules) afin de pouvoir réaliser un graphique sur des colonnes adjacentes.
(voir une copie d'écran montrant le tableau 2)

4) Réaliser le tableau 3 comme le montre la copie d'écran précédente.

5) Faire le premier graphique ayant pour objectif la comparaison entre les enveloppes externes de la Terre et les différentes météorites. Réaliser ensuite le deuxième graphique comparant la composition du noyau à celle des sidérites.
Voici des exemples de graphiques obtenus :

 

 

 

 

 

 

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