Accrétion et différentiation de la Terre – mélange, équilibration, et ségrégation fer/silicate dans un océan magmatique – SEIC

La structure actuelle de la Terre et des corps telluriques du système solaire est pour une part importante héritée de la différentiation de matériel primordial indifférencié en un noyau métallique et un manteau silicaté. Cette différentiation a induit un fractionnement chimique et thermique entre métal et silicates, dont découle la composition et la température initiales du manteau et du noyau - les conditions initiales de la planète. Ce fractionnement primordial dicte en partie l’évolution ultérieure de la planète et sa dynamique à l’échelle des temps géologiques. Ainsi, la composition du noyau, en particulier en éléments radioactifs, dépend directement des conditions (T, P, fO2) auxquelles la différentiation a eu lieu. Le taux de refroidissement du noyau et la possibilité d'y maintenir une dynamo convective, à l'origine du champ magnétique terrestre, dépend de la répartition entre noyau et manteau de la chaleur libérée par l'accrétion.
En raison du très lent transfert de matière entre noyau et manteau, ceux-ci ne sont aujourd'hui toujours pas à l'équilibre thermodynamique, ce qui implique que la composition chimique du manteau a gardé une mémoire de la différentiation. Plusieurs chronomètres radioactifs (Hf/W, U/Pb) ont ainsi été utilisés pour contraindre l'âge de la différentiation; la composition en éléments traces permet de plus d'apporter des contraintes sur les conditions auxquelles la ségrégation a eu lieu. L'interprétation de ces données est cependant limitée par notre compréhension très incomplète des processus physiques en jeux. En particulier, l'estimation de l'âge de la différentiation par les chronomètres Hf/W et U/Pb dépend du degré de ré-équilibration isotopique entre fer et silicates au cours de la différentiation, un paramètre très peu contraint. Une ré-équilibration efficace n'est possible que si métal et silicates ont été intimement mélangés, à une échelle (~cm) qui permet un transfert chimique efficace entre métal et silicates.
Il est maintenant accepté que l'essentiel de la masse de la Terre a été accrété sous la forme de corps différenciés, de diamètres 10-1000 km; la question est donc de savoir si les noyaux métalliques de ces corps (diamètre ~10-1000 km) ont pu se fragmenter jusqu'à une taille (~cm) où métal et silicates peuvent interagir chimiquement. Les conditions suivant un impact sont telles que la migration de la phase métallique vers le centre de la Terre est un processus extrêmement turbulent. Expériences et simulations numériques ont pour l'instant été limitées à des conditions laminaires, et sont donc peu pertinentes pour la description de ces processus où la turbulence joue vraisemblablement un rôle clef.
Nous proposons ici une étude expérimentale et numérique de la fragmentation turbulente de métal liquide dans un océan magmatique. Des expériences analogues utilisant des fluides immiscibles (huile de silicone, et solutions aqueuses de divers sels) seront réalisées à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Le choix de ces fluides permet d'atteindre des conditions où les nombres sans dimension caractérisant le problème sont le plus proche possible du problème géophysique. Des conditions de similitude parfaite sont impossible à atteindre, mais il est significatif que les conditions atteintes seront fortement turbulentes, contrairement aux études publiées à ce jour. Des simulations numériques seront réalisées en parallèle. Les expériences et simulations permettront de développer des modèles de fragmentation et des lois d'échelles pour les temps caractéristiques de fragmentation et de transfert chimique, et pour la distribution de taille des fragments. Ces lois d'échelles permettront d'extrapoler aux conditions de la Terre les résultats expérimentaux et numériques.
En parallèle, on généralisera les modèles géochimiques de différentiation noyau/manteau, avec pour but l'utilisation dans ces modèles de contraintes déduites des modèles physiques de ségrégation développées dans ce projet.