Une anomalie massive dans le manteau terrestre pourrait être un vestige de la collision qui a formé la Lune

Une équipe de recherche internationale interdisciplinaire a récemment découvert qu’une anomalie massive à l’intérieur de la Terre pourrait être un vestige de la collision qui a formé la Lune il y a environ 4,5 milliards d’années.

Cette recherche offre de nouvelles informations importantes non seulement sur la structure interne de la Terre, mais également sur son évolution à long terme et la formation du système solaire interne.

L’étude, qui s’appuie sur les méthodes informatiques de dynamique des fluides mises au point par le professeur Deng Hongping de l’Observatoire astronomique de Shanghai (SHAO) de l’Académie chinoise des sciences, a été publiée en couverture dans Nature le 2 novembre.

La formation de la Lune reste une énigme persistante pour plusieurs générations de scientifiques. La théorie dominante suggère qu’au cours des dernières étapes de la croissance de la Terre, il y a environ 4,5 milliards d’années, une collision massive, connue sous le nom d’« impact géant », s’est produite entre la Terre primordiale (Gaia) et une proto-planète de la taille de Mars connue sous le nom de Theia. On pense que la Lune s’est formée à partir des débris générés par cette collision.

Des simulations numériques ont indiqué que la lune a probablement hérité du matériel principalement de Theia, tandis que Gaia, en raison de sa masse beaucoup plus importante, n’a été que légèrement contaminée par le matériel théien.

Étant donné que Gaia et Theia étaient des formations relativement indépendantes et composées de matériaux différents, la théorie suggérait que la Lune, dominée par le matériau théien, et la Terre, dominée par le matériau Gaïen, devraient avoir des compositions distinctes. Cependant, des mesures isotopiques de haute précision ont révélé plus tard que les compositions de la Terre et de la Lune sont remarquablement similaires, remettant ainsi en question la théorie conventionnelle de la formation de la Lune.

Bien que divers modèles raffinés de l’impact géant aient été proposés par la suite, ils ont tous été confrontés à des défis.

Afin d’affiner davantage la théorie de la formation lunaire, le professeur Deng a commencé à mener des recherches sur la formation de la Lune en 2017. Il s’est concentré sur le développement d’une nouvelle méthode informatique de dynamique des fluides appelée Meshless Finite Mass (MFM), qui excelle dans la modélisation précise de la turbulence et du mélange de matériaux. .

En utilisant cette nouvelle approche et en effectuant de nombreuses simulations de l’impact géant, le professeur Deng a découvert que la Terre primitive présentait une stratification du manteau après l’impact, les manteaux supérieur et inférieur ayant des compositions et des états différents. Plus précisément, le manteau supérieur présentait un océan de magma, créé par un mélange approfondi de matériaux provenant de Gaia et de Theia, tandis que le manteau inférieur restait en grande partie solide et conservait la composition matérielle de Gaia.

“Des recherches antérieures avaient accordé une importance excessive à la structure du disque de débris (le précurseur de la Lune) et avaient négligé l’impact de la collision géante sur la Terre primitive”, a déclaré Deng.

Après des discussions avec des géophysiciens de l’École polytechnique fédérale de Zurich, le professeur Deng et ses collaborateurs ont réalisé que cette stratification du manteau aurait pu persister jusqu’à nos jours, correspondant aux réflecteurs sismiques globaux situés au milieu du manteau (situés à environ 1 000 km sous le manteau). La surface de la terre).

Plus précisément, l’ensemble du manteau inférieur de la Terre pourrait encore être dominé par le matériau Gaïen d’avant l’impact, qui a une composition élémentaire différente (y compris une teneur en silicium plus élevée) que le manteau supérieur, selon l’étude précédente du professeur Deng.

“Nos découvertes remettent en question la notion traditionnelle selon laquelle l’impact géant a conduit à l’homogénéisation de la Terre primitive”, a déclaré le professeur Deng. “Au lieu de cela, l’impact géant formant la Lune semble être à l’origine de l’hétérogénéité du manteau primitif et marque le point de départ de l’évolution géologique de la Terre au cours de 4,5 milliards d’années.”

Un autre exemple de l’hétérogénéité du manteau terrestre est celui de deux régions anormales, appelées grandes provinces à faible vélocité (LLVP), qui s’étendent sur des milliers de kilomètres à la base du manteau. L’un est situé sous la plaque tectonique africaine et l’autre sous la plaque tectonique Pacifique. Lorsque les ondes sismiques traversent ces zones, leur vitesse est considérablement réduite.

Les LLVP ont des implications significatives sur l’évolution du manteau, la séparation et l’agrégation des supercontinents et les structures des plaques tectoniques de la Terre. Leurs origines restent cependant mystérieuses.

Le Dr Yuan Qian du California Institute of Technology, ainsi que ses collaborateurs, ont proposé que les LLVP auraient pu évoluer à partir d’une petite quantité de matériel théien entré dans le manteau inférieur de Gaia. Ils ont ensuite invité le professeur Deng à explorer la répartition et l’état de la matière théienne dans les profondeurs de la Terre après l’impact géant.

Grâce à une analyse approfondie des précédentes simulations d’impact géant et à la réalisation de nouvelles simulations de plus haute précision, l’équipe de recherche a découvert qu’une quantité importante de matériau du manteau théien, environ 2 % de la masse de la Terre, pénétrait dans le manteau inférieur de Gaia.

Le professeur Deng a ensuite invité l’astrophysicien computationnel, le Dr Jacob Kegerreis, à confirmer cette conclusion en utilisant les méthodes traditionnelles d’hydrodynamique des particules lissées (SPH).

L’équipe de recherche a également calculé que ce matériau du manteau théien, semblable aux roches lunaires, est enrichi en fer, ce qui le rend plus dense que le matériau Gaïen environnant. En conséquence, il a rapidement coulé jusqu’au fond du manteau et, au cours d’une convection mantellique à long terme, a formé deux régions LLVP proéminentes. Ces LLVP sont restées stables tout au long de 4,5 milliards d’années d’évolution géologique.

L’hétérogénéité du manteau profond, que ce soit au niveau des réflecteurs du milieu du manteau ou des LLVP à la base, suggère que l’intérieur de la Terre est loin d’être un système uniforme et « ennuyeux ». En fait, de petites quantités d’hétérogénéité profonde peuvent être amenées à la surface par des panaches du manteau – des courants thermiques ascendants cylindriques provoqués par la convection du manteau – comme ceux qui ont probablement formé Hawaï et l’Islande.

Par exemple, des géochimistes étudiant les rapports isotopiques des gaz rares dans des échantillons de basalte islandais ont découvert que ces échantillons contiennent des composants différents des matériaux de surface typiques. Ces composants sont des vestiges de l’hétérogénéité du manteau profond datant de plus de 4,5 milliards d’années et servent de clés pour comprendre l’état initial de la Terre et même la formation des planètes proches.

Selon le Dr Yuan, « Grâce à une analyse précise d’un plus large éventail d’échantillons de roches, combinée à des modèles d’impact géant et des modèles d’évolution de la Terre plus raffinés, nous pouvons déduire la composition matérielle et la dynamique orbitale de la Terre primordiale, Gaia et Theia. nous permet de contraindre toute l’histoire de la formation du système solaire interne. »

Le professeur Deng voit un rôle encore plus large pour l’étude actuelle. “Cette recherche constitue même une source d’inspiration pour comprendre la formation et l’habitabilité des exoplanètes au-delà de notre système solaire.”