Les hautes températures de la Terre primitive rebattent les cartes du vernis tardif

Lors de la formation de la Terre, le fer métallique a progressivement migré vers le centre de la planète pour former son noyau. Avec lui auraient dû être entraînés les éléments hautement sidérophiles (HSE), c’est-à-dire des éléments présentant une très forte affinité pour le métal, comme le rhénium, l’osmium, l’iridium, le palladium, le platine ou l’or. Pourtant, les concentrations de ces éléments mesurées aujourd’hui dans le manteau sont nettement supérieures à celles prévues par les modèles classiques de différenciation entre noyau et manteau.

Cette anomalie est à l’origine de l’hypothèse dite du « vernis tardif ». Formulée à partir des années 1970, elle suppose qu’après l’essentiel de la formation du noyau, de nouveaux matériaux de composition proche de celle de météorites chondritiques auraient été ajoutés à la Terre. Le noyau étant alors largement constitué, les éléments sidérophiles apportés par ces impacts seraient restés dans le manteau au lieu de migrer vers le centre de la planète.

Ce scénario permettait notamment d’expliquer pourquoi les différents éléments hautement sidérophiles sont encore présents dans le manteau, dans des proportions relatives proches de celles observées dans les chondrites. Dans sa formulation classique, ce vernis tardif représenterait environ 0,5 % de la masse terrestre et aurait été ajouté après l’impact géant associé à la formation de la Lune.

Des expériences plus proches des conditions de la Terre primitive

Une nouvelle étude publiée dans Science Advances modifie l’un des paramètres essentiels sur lesquels repose cette interprétation. Les estimations historiques du partage des éléments sidérophiles entre métal et silicates reposaient largement sur des expériences effectuées à des pressions inférieures à 20 gigapascals et à des températures généralement inférieures à 2 500 kelvins. Ces conditions restent éloignées de celles qui régnaient dans l’océan magmatique profond de la jeune Terre, où les pressions pouvaient dépasser 50 gigapascals et les températures 3 500 kelvins.

Pour se rapprocher de cet environnement, les chercheurs ont utilisé des cellules à enclumes de diamant chauffées par laser afin d’étudier directement le comportement du rhénium, de l’osmium, de l’iridium, du palladium et de l’or. Ces dispositifs permettent de soumettre de très petits volumes de matière à des pressions et des températures comparables à celles rencontrées lors de la différenciation de la Terre primitive.

Les résultats montrent que le coefficient de partage entre métal et silicate diminue fortement lorsque la température augmente. Autrement dit, dans les conditions extrêmes de l’océan magmatique terrestre, ces éléments restent moins exclusivement associés au métal que ne le laissaient prévoir les expériences réalisées à plus basse température. Une fraction plus importante peut donc demeurer dans les matériaux silicatés destinés à former le manteau.

L’intégration de ces nouvelles mesures dans des modèles d’accrétion en plusieurs étapes permet de reproduire à la fois les abondances actuelles de plusieurs éléments hautement sidérophiles dans le manteau et leurs proportions relatives proches de celles des chondrites. Le « paradoxe » qui constituait l’un des principaux arguments en faveur d’un important vernis tardif pourrait ainsi être résolu par les processus de formation du noyau eux-mêmes.

Un vernis tardif réduit plutôt que totalement supprimé

Cette conclusion ne signifie cependant pas que la Terre n’a plus reçu de matière après la formation de son noyau. Les impacts tardifs ont bien existé et l’accrétion de matière extraterrestre se poursuit encore aujourd’hui. L’étude montre en revanche qu’un apport massif de matériaux chondritiques n’est plus nécessaire pour expliquer la quantité d’éléments hautement sidérophiles présente dans le manteau.

Les calculs restent, de fait, compatibles avec un apport tardif pouvant atteindre environ 0,2 % de la masse terrestre, soit sensiblement moins que les quelque 0,5 % traditionnellement associés au modèle du vernis tardif. Cette limite demeure toutefois dépendante des contraintes géochimiques et des éléments considérés, le comportement du ruthénium dans les conditions pertinentes restant notamment moins bien caractérisé.

La révision dépasse la seule question des métaux du manteau. Le vernis tardif a également été envisagé comme un mécanisme susceptible d’avoir fourni à la jeune Terre une partie de ses composés volatils. Or plusieurs travaux récents privilégient déjà une acquisition d’une fraction importante de ces éléments pendant les étapes principales de l’accrétion et de la différenciation planétaire. La nouvelle étude renforce cette possibilité. Si l’excès apparent d’éléments sidérophiles ne nécessite plus un important apport tardif, l’hydrogène, le carbone ou l’azote pourraient eux aussi avoir été intégrés en grande partie beaucoup plus tôt dans l’histoire de la planète.

L’étude ne supprime donc pas l’accrétion tardive de l’histoire terrestre. Elle réduit surtout la nécessité d’en faire un épisode majeur pour expliquer la composition actuelle du manteau. Les conditions physiques extrêmes de la formation du noyau pourraient avoir laissé une empreinte chimique beaucoup plus importante qu’estimé jusqu’ici.