D’étranges taches dans le manteau profond sont les restes d’une ancienne planète

Une étude du California Institute of Technology suggère que deux structures massives et riches en fer situées au plus profond du manteau terrestre sont les restes de Theia, une ancienne planète qui est entrée en collision avec la Terre, créant également la Lune. Cette découverte répond à des questions de longue date sur l’origine de la Lune et le sort de Theia.

Dans les années 1980, les géophysiciens ont fait une découverte surprenante : deux masses de matériaux inhabituels de la taille d’un continent avaient été découvertes au centre de la Terre, l’une sous le continent africain et l’autre sous l’océan Pacifique. Chaque point fait environ deux fois la taille de la Lune et est probablement composé de proportions d’éléments différentes par rapport au manteau environnant.

Grands actifs de comté à faible vitesse

D’où viennent ces étranges blobs – officiellement connus sous le nom de grandes provinces à faible vitesse (LLVP) – ? Une nouvelle étude menée par des chercheurs du California Institute of Technology suggère qu’il s’agit des restes d’une ancienne planète qui est violemment entrée en collision avec la Terre il y a des milliards d’années lors du même impact géant qui a donné naissance à notre Lune.

L’étude a été publiée dans la revue nature Le 1er novembre, il propose également une réponse à un autre mystère de la science planétaire. Les chercheurs ont longtemps supposé que la Lune avait été créée à la suite d’une collision géante entre la Terre et une planète plus petite appelée Theia, mais aucune trace de Theia n’a été trouvée dans la ceinture d’astéroïdes ou dans les météorites. Cette nouvelle étude suggère que la majeure partie de Theia a été absorbée par la jeune Terre, formant des LLVP, tandis que les débris restant de la collision ont été absorbés par la Lune.

Visualisation de la Terre avec de gros « blobs » de matière dense près du noyau terrestre. Ces pointes ont été découvertes dans les années 1980. Aujourd’hui, les chercheurs suggèrent que ce sont en réalité les restes d’une ancienne planète, Theia, qui est entrée en collision avec la Terre pour former la Lune. Crédit : Edward Garnero

Méthodologie et résultats de recherche

La recherche a été dirigée par Qian Yuan, associé de recherche postdoctoral d’Oakey Earle dans les laboratoires de Paul Asimo (MS ’93, PhD ’97), professeur Eleanor et John R. MacMillan de géologie et géochimie ; et Michael Jorness, professeur de géophysique John E. et Hazel S. Smits et titulaire de la chaire de leadership Clarence R. Allen, directeur du laboratoire sismique de Caltech et directeur de la Schmidt Academy of Software Engineering de Caltech.

Les scientifiques ont découvert les LLVP pour la première fois en mesurant les ondes sismiques traversant la Terre. Les ondes sismiques se propagent à différentes vitesses à travers différents matériaux et, dans les années 1980, les premiers indices de variations tridimensionnelles à grande échelle au plus profond de la structure terrestre sont apparus. Dans le manteau plus profond, la configuration des ondes sismiques est dominée par les signatures de deux grandes structures proches du noyau terrestre qui, selon les chercheurs, présentent un niveau de fer inhabituellement élevé. Cette teneur élevée en fer signifie que les zones sont plus denses que leur environnement, ce qui ralentit les ondes sismiques qui les traversent, ce qui leur vaut le nom de « grandes provinces à faible vitesse ».

Yuan, géophysicien de formation, assistait en 2019 à un symposium sur la formation des planètes donné par Mikhaïl Zolotov, professeur à l’Université d’État de l’Arizona. Zolotov a présenté l’hypothèse de l’impact géant, tandis que Qian a souligné que la Lune est relativement riche en fer. Zolotov a ajouté qu’aucune trace du véhicule n’avait été retrouvé, qui avait certainement heurté le sol.

« Juste après que Michael ait dit que personne ne sait où se trouve actuellement l’objet d’impact, j’ai eu un moment d’eurêka et j’ai réalisé que l’objet d’impact riche en fer aurait pu être transformé en gouttes du manteau », a déclaré Yuan.

Simulation détaillée de l’impact de Theia avec la Terre. Bien que l’impact ait été violent, il n’a pas été assez puissant pour faire fondre le manteau inférieur de la Terre, ce qui signifie que les restes de Theia auraient pu être préservés, plutôt que mélangés de manière homogène à la matière terrestre. Crédit : Hong Bing Ding

Yuan a travaillé avec des collaborateurs interdisciplinaires pour modéliser différents scénarios concernant la composition chimique de Theia et son impact sur Terre. Les simulations ont confirmé que la physique de la collision pourrait conduire à la formation des LLVP et de la Lune. Il est possible qu’une partie du manteau de Theia ait été incorporée au manteau terrestre, où elle s’est finalement regroupée et cristallisée pour former les deux taches distinctes qui peuvent être détectées aujourd’hui à la limite du noyau du manteau ; D’autres débris de la collision se sont mélangés pour former la Lune.

Implications et recherches futures

Compte tenu de cet impact violent, pourquoi la matière de Théia s’est-elle collectée en deux endroits distincts au lieu de se mélanger au reste de la planète en formation ? Les simulations des chercheurs ont montré qu’une grande partie de l’énergie de l’impact de Theia est restée dans la moitié supérieure du manteau, laissant le manteau inférieur de la Terre plus froid que ne l’avaient estimé les précédents modèles d’impact à basse résolution. Parce que le manteau inférieur n’a pas complètement fondu par l’impact, les gouttes de matière riche en fer de Theia sont restées en grande partie intactes lorsqu’elles ont été tamisées jusqu’à la base du manteau, comme des amas colorés de cire de paraffine dans une lampe à lave éteinte. Si le manteau inférieur avait été plus chaud (c’est-à-dire s’il avait reçu plus d’énergie de la collision), il se serait mieux mélangé aux matériaux riches en fer, comme les couleurs dans un pot de peinture.

Les prochaines étapes consisteront à étudier comment la présence précoce du matériau hétérogène Theia en profondeur dans la Terre a affecté les processus internes de notre planète, tels que la tectonique des plaques.

« La conséquence logique de l’idée selon laquelle les LLVP sont des vestiges de Theia est qu’ils sont très anciens », explique Asimov. « Il est donc logique d’étudier ensuite leurs conséquences sur l’évolution précoce de la Terre, comme le début de la subduction avant que les conditions ne deviennent propices à la tectonique des plaques moderne, la formation des premiers continents et l’origine des plaques tectoniques les plus anciennes.  » des minéraux de la Terre. »

De nouvelles recherches répondent à deux mystères de longue date de la science planétaire : que sont les « taches » géantes et mystérieuses de matière proches du noyau terrestre, et qu’est-il arrivé à la planète qui est entrée en collision avec la Terre pour créer la Lune ? Une nouvelle étude du California Institute of Technology suggère que des vestiges de cette ancienne planète existent toujours sur Terre, expliquant les origines des « blobs » près de la limite noyau-manteau.

Référence : « La collision formant la Lune comme source d’anomalie du manteau basal terrestre » par Qian Yuan, Mingming Li et Stephen J. Desch, Byung-Kwan Koo, Hongpeng Deng et Edward J. Garnero, Travis S.J. Gabriel et Jacob A. , Vincent Ecke et Paul D. Asimov, 32 octobre 2023, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-06589-1

Qian Yuan est le premier auteur. Outre Yuan et Asimo, Yoshinori Miyazaki, chercheur postdoctoral à Stanback impliqué dans l’évolution planétaire comparée, est un autre co-auteur de Caltech. Les co-auteurs supplémentaires sont Mingming Li, Stephen Desch et Edward Garnero (PhD ’94) de l’Arizona State University (ASU) ; Byungkwan Ko de l’Université d’État de l’Arizona et de l’Université d’État du Michigan ; Hongping Ding de l’Académie chinoise des sciences ; Travis Gabriel de l’USGS ; Jacob Kegeris NASACentre de recherche Ames ; et Vincent Ecke de l’Université de Durham. Le financement a été fourni par la National Science Foundation, la bourse postdoctorale Aoki Earle de Caltech, l’USGS, la NASA et le Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.