Secrets planétaires anciens enfouis sous la surface de la Terre




Recherche récente sur le manteau terrestre suggère des reliques de Theia

Une illustration artistique sur l’impact de Theia sur la proto-Terre. Crédit: Hernan Canellas/image avec l’aimable autorisation de ASU

Des recherches récentes indiquent que le manteau terrestre contient deux vastes amas de matière, les reliques de Theia, l’ancienne planète dont la collision avec la Terre a conduit à la création de la lune. Cette découverte offre de nouvelles perspectives sur la formation de la lune et sur l’histoire ancienne de la Terre.

Dans les années 1980, des géophysiciens ont fait une découverte surprenante : Deux amas de matière inhabituelle de la taille d’un continent ont été trouvés en profondeur près du centre de la Terre, l’un sous le continent africain et l’autre sous l’océan Pacifique.

Chaque amas est deux fois plus grand que la lune, et des recherches au cours de la dernière décennie ont montré qu’ils sont probablement composés de proportions différentes d’éléments que le manteau qui les entoure.

L’origine des LLVPs

D’où proviennent ces étranges amas – formellement connus sous le nom de grandes provinces de faible vitesse (LLVPs) ? Une nouvelle étude suggère qu’il s’agit de reliques d’une ancienne planète qui est entrée en collision violente avec la Terre il y a des milliards d’années, dans le même impact géant qui a créé notre lune.

Une équipe interdisciplinaire comprenant des scientifiques de la School of Earth and Space Exploration de l’Université d’État de l’Arizona, a été dirigée par l’ancien élève de l’ASU Qian Yuan, actuellement boursier postdoctoral O.K. Earl à Caltech. L’étude, publiée dans la revue Nature, propose également une solution à un autre mystère de la planétologie.

Une illustration artistique montre Theia impactant la proto-Terre. Crédit : Hernan Canellas/image avec l’aimable autorisation de ASU

L’héritage de Theia

Depuis plus de 20 ans, les scientifiques savent que la Terre possède de vastes amas en son sein, avec une composition inhabituelle et une origine inconnue. Ces structures sont si massives que si vous les placiez à la surface de la Terre, elles constitueraient une couche épaisse d’environ 100 km autour de toute la planète.

De plus, on a émis l’hypothèse que la lune a été créée à la suite d’un impact géant entre la Terre et une planète plus petite surnommée Theia. Pourtant, aucune trace de Theia n’a jamais été découverte dans la ceinture d’astéroïdes ou dans des météorites. Cette nouvelle étude suggère que la plupart de Theia a été absorbée par la jeune Terre, formant les amas LLVP, tandis que les débris résiduels de l’impact se sont regroupés pour former la lune.

« La lune semble contenir des matériaux représentatifs à la fois de la Terre pré-impact et de Theia, mais il était supposé que les restes de Theia dans la Terre auraient été ‘effacés’ et homogénéisés par des milliards d’années de dynamique (par exemple, la convection du manteau) à l’intérieur de la Terre », a déclaré Steven Desch, professeur à la School of Earth and Space Exploration de l’ASU. « Cette étude est la première à démontrer que des ‘pièces’ distinctes de Theia résident toujours à l’intérieur de la Terre, à sa limite cœur-manteau. »

Des parties des matériaux de Theia s’enfoncent et s’accumulent au fond du manteau terrestre, formant les grandes provinces de faible vitesse (LLVP) des amas. Crédit: Hernan Canellas/image avec l’aimable autorisation de ASU

Découvertes sismiques et implications

Les scientifiques ont d’abord découvert les LLVPs en mesurant les ondes sismiques se déplaçant à travers la Terre. Les ondes sismiques se déplacent à des vitesses différentes à travers différents matériaux, et dans les années 1980, les premiers indices ont émergé de variations tridimensionnelles à grande échelle au plus profond de la structure de la Terre.

Dans le manteau le plus profond, le modèle des ondes sismiques est dominé par les signatures de deux structures de la taille d’un continent près du noyau terrestre. Elles sont interprétées comme des régions avec une teneur en fer inhabituellement élevée, dont la densité et la température accrues ralentissent les ondes sismiques qui les traversent, conduisant au nom de « grandes provinces de faible vitesse ».

« Mais maintenant, nous avons une explication pour eux. Il semble que les amas de la Terre sont des reliques d’une collision planétaire qui a formé notre lune », a déclaré Ed Garnero, professeur à la School of Earth and Space Exploration de l’ASU. « En d’autres termes, les amas massifs actuellement à l’intérieur de la Terre, profondément sous nos pieds, sont extraterrestres. La Terre a non seulement des amas, mais des amas extraterrestres ! »

Yuan, géophysicien de formation, assistait un jour à un séminaire sur la formation des planètes donné par Mikhail Zolotov, professeur à l’ASU. Zolotov a présenté l’hypothèse de l’impact géant, tandis que Qian a noté que la lune est relativement riche en fer. Zolotov a ajouté qu’aucune trace n’avait été trouvée de l’impacteur qui a dû entrer en collision avec la Terre.

« Juste après que Mikhail avait dit que personne ne sait où se trouve maintenant l’impacteur, j’ai eu un ‘moment eurêka’ et j’ai réalisé que l’impacteur riche en fer pourrait s’être transformé en amas du manteau », a déclaré Yuan.

Une approche multidisciplinaire

L’équipe multidisciplinaire de collaborateurs a modélisé différents scénarios pour la composition chimique de Theia et son impact avec la Terre. Les simulations ont confirmé que la physique de la collision aurait pu conduire à la formation des LLVPs et de la lune.

« Ce travail a montré que les grands amas (les LLVPs) dans le manteau profond de la Terre pourraient être constitués de matériaux provenant d’un corps planétaire qui a percuté la proto-Terre et formé la lune », a déclaré Mingming Li, professeur à la School of Earth and Space Exploration de l’ASU. « Par conséquent, la lune et les amas ont la même origine. »

Après un impact aussi violent, pourquoi les matériaux de Theia se sont-ils regroupés en deux amas distincts au lieu de se mélanger avec le reste de la planète en formation ? Les simulations des chercheurs ont montré que beaucoup de l’énergie apportée par l’impact de Theia est restée dans la moitié supérieure du manteau, laissant le manteau inférieur de la Terre plus froid que ce que les modèles d’impact antérieurs, moins résolus, estimaient. Parce que l’impact n’a pas totalement fondu le manteau inférieur, les amas de matériau riche en fer de Theia sont restés largement intacts.

« À travers des simulations de convection du manteau, nous avons constaté que les matériaux denses et riches en fer de Theia pourraient s’enfoncer et s’accumuler à la base du manteau terrestre. Ces matériaux pourraient y rester tout au long de l’histoire de la Terre, soit environ 4,5 milliards d’années », a déclaré Li.

« En regardant vers l’intérieur, vers l’intérieur de la Terre, au lieu de vers l’extérieur, vers la lune, nous avons trouvé un autre élément de preuve de la catastrophe cosmique qu’est l’impact géant formateur de lune », a déclaré le co-auteur Travis Gabriel, de l’U.S. Geological Survey.

« L’étude place vraiment la Terre dans le contexte de la formation du système solaire intérieur », a déclaré le co-auteur Hongping Deng de l’Académie chinoise des sciences. « Imaginez que si nous parvenions à récupérer certains signaux de Theia du manteau le plus profond, nous pourrions mieux comprendre l’architecture et la composition du système solaire naissant sans recourir aux météorites actuelles aux signaux perturbés. »

Pour en savoir plus sur cette recherche :

Référence : “Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies” par Qian Yuan, Mingming Li, Steven J. Desch, Byeongkwan Ko, Hongping Deng, Edward J. Garnero, Travis S. J. Gabriel, Jacob A. Kegerreis, Yoshinori Miyazaki, Vincent Eke et Paul D. Asimow, 1er novembre 2023, Nature.

DOI : 10.1038/s41586-023-06589-1

Les auteurs supplémentaires de cette étude comprennent les anciens élèves de l’ASU Byeongkwan Ko, postdoc à l’Université d’État du Michigan ; Paul Asimow et Yoshinori Miyazaki à Caltech ; Jacob Kegerreis du NASA Ames Research Center ; et Vincent Eke de l’Université de Durham.

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, la Bourse postdoctorale O.K. Earl à Caltech, l’U.S. Geological Survey, la NASA et le Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.