Une nouvelle étude, menée par des scientifiques de l’Université du Nouveau-Mexique, a révélé une fuite d’hélium-3 ancien et primordial du noyau de la Terre, suggérant que la planète s’est formée à l’intérieur d’une nébuleuse solaire, suscitant de nouveaux débats parmi les scientifiques.
Chaque année, environ 2 kg du gaz isotope rare hélium-3 s’échappent de l’intérieur de la Terre, principalement le long du système de dorsale médio-océanique, une gamme de volcans sous-marins autour du globe. L’hélium-3 est primordial, créé peu de temps après le Big Bang et acquis de la nébuleuse solaire lors de la formation de la Terre. Des preuves géochimiques indiquent que la Terre possède de profonds réservoirs d’hélium-3, mais leur emplacement et leur abondance sont incertains.
L’inventaire terrestre de l’hélium se compose de deux isotopes stables, l’hélium-4 le plus abondant et l’hélium-3 rare. Contrairement à l’hélium-4 terrestre, qui est principalement produit par la désintégration de l’uranium et du thorium, l’hélium-3 terrestre est en grande partie d’origine primordiale, synthétisé au lendemain du Big Bang et incorporé à la Terre principalement lors de sa formation.
Désormais, les modèles scientifiques d’échanges volatils au cours de la formation et de l’évolution de la Terre impliquent le noyau métallique comme un réservoir non étanche qui alimente le reste de la Terre en hélium-3. Les résultats suggèrent également que d’autres volatils peuvent fuir du noyau dans le manteau. L’hélium-3 provient principalement des nébuleuses, un énorme nuage de poussière et d’autres éléments de base tels que l’hydrogène et d’autres gaz ionisés. En tant que l’un des premiers éléments produits dans l’univers, la majeure partie de l’hélium-3 a été créée au cours des premières étapes du Big Bang.
« L’hélium-3 a été synthétisé très tôt dans l’histoire de l’univers, très tôt, c’est-à-dire quelques secondes après le big bang », a déclaré Peter Olson, géophysicien à l’UNM et auteur principal de l’article, « Primordial Helium-3 Exchange Between Earth’s Core and Mantle », publié récemment dans la revue American Geophysical Union Géochimie, Géophysique, Géosystèmes. « Cette étude aide à identifier le noyau comme la source de la fuite plutôt que le manteau. Il a plus de 13 milliards d’années et est mesuré pour sortir de l’intérieur de la Terre et l’endroit où il fuit apparemment au rythme le plus rapide est le milieu de l’océan. Centres d’étalement des dorsales Ce sont les limites des plaques où la nouvelle croûte océanique est en train de se créer.
« Deux choses sont importantes même si c’est une petite quantité. Tout d’abord, il n’y est pas arrivé récemment. C’est un élément primordial et certains des endroits d’où il fuit sont liés au noyau. Par exemple, la source de on pense que les laves qui composent Hawaï et l’Islande sont dérivées de panaches qui s’élèvent à travers le manteau à partir de la région limite noyau-manteau. La perte d’hélium de la terre est mondiale. Ce n’est pas seulement dans quelques endroits. Elle est concentrée dans la propagation centres sur les dorsales médio-océaniques. Ces centres de propagation sont mondiaux, couvrant toute la Terre. L’hélium s’échappe également d’autres environnements. Donc, c’est mondial et il vient des profondeurs de la terre et ce sont deux inférences, qui sont vraiment solide, je pense. »
L’étude, qui impliquait également Zach Sharp, un géochimiste de l’UNM au Département des sciences de la Terre et des planètes, impliquait deux aspects dans le cadre du processus de modélisation : premièrement, comment l’hélium-3 est entré dans la terre profonde pour commencer, le processus d’acquisition, et deuxièmement, comment ça sort. Des études antérieures ont montré comment l’hélium-3 pénètre, mais aucune n’a fait les deux, l’acquisition de l’hélium-3 et le processus pour l’extraire. Les deux sont des mécanismes fondamentalement différents et se produisent à différentes échelles de temps dans l’histoire de la Terre.
« Le processus d’acquisition, ou le gaz qui compose le système solaire, est en fait le gaz qui compose le Soleil, Jupiter et Saturne et est composé d’environ 15% d’hélium », a déclaré Olson. « C’est le deuxième élément le plus abondant dans ces corps (après l’hydrogène), ce qui en fait le deuxième élément le plus abondant dans le système solaire. La façon évidente d’incorporer beaucoup d’hélium-3 dans la terre est de construire la terre tout en la nébuleuse solaire était en place autour d’elle. Lorsque la Terre était enveloppée de gaz nébulaire, et si la surface de la Terre est en fusion, alors le gaz peut se dissoudre dans la Terre en fusion au fur et à mesure qu’elle se forme parce que les gaz se dissolvent facilement dans la fonte.
« Il y a beaucoup de petites comètes ou de petits cailloux que nous appelons des boules de neige dans la nébuleuse solaire qui tomberont lentement vers le Soleil simplement à cause de la gravitation de l’attraction du Soleil », a déclaré Sharp. « C’est une certitude physique – cela doit arriver. Maintenant, si vous avez des corps planétaires qui ne sont pas encore complètement développés, et que vous avez des cailloux qui arrivent vers le soleil, alors une fraction significative des » cailloux va être capturée gravitationnellement par vous pouvez faire en 2 millions d’années, quelque chose de la taille de la Terre par ce processus, alors que les modèles précédents nécessitaient plus de 10 millions d’années pour faire un corps de la taille de la Terre.
Les scientifiques ont utilisé un modèle qui consistait en une atmosphère nébulaire constituée de la même composition que la nébuleuse solaire, et en injectant ce matériau dans le liquide en fusion, ce qui a fourni l’environnement nécessaire pour séparer l’hélium du manteau et du noyau.
« Vous découvrez très rapidement que la surface serait si chaude dans ces conditions que ce serait un océan de magma, juste l’environnement où vous pourriez dissoudre la perte d’hélium », a déclaré Olson. « Cela fait pénétrer l’hélium dans la terre, mais pas dans le noyau, pour cela, vous devez le dissoudre dans le fer qui forme le noyau. Il y a eu des mesures en laboratoire qui mesurent la solubilité de l’hélium dans les métaux libres, comme le fer en fusion. Cela nous a donné une estimation de la quantité d’hélium que vous pourriez dissoudre dans le noyau lors de la formation de la Terre. C’est le processus de modélisation pour la première étape, qui nous a dit que vous obtenez un ou plusieurs pétagrammes (1 000 000 000 000 000 grammes) d’hélium-3 dans le noyau de cette façon. »
« C’est très bien où nous allons avec ça. La question est » ‘comment pouvons-nous faire entrer autant d’hélium dans le manteau’? C’était toujours un problème qui n’a jamais été entièrement résolu », a déclaré Sharp. « C’était comme, oui, c’est là-dedans, et peut-être que cela venait de ces comètes ou astéroïdes tardifs, mais le problème est que l’hélium n’est pas dense. Il veut « flotter » à la surface. C’est comme prendre un ballon de plage et essayer de le pousser au fond d’une piscine. Il va réapparaître. Comment faire descendre l’hélium jusqu’au manteau profond ? C’est vraiment un problème.
« Ce n’est généralement pas discuté dans le cas de l’idée d’ingazage nébulaire, mais 15 % de la nébuleuse est de l’hélium. La plupart du reste est de l’hydrogène, alors voilà, c’est la majeure partie du gaz nébulaire. Si vous avez ceci haute pression, tout comme le CO2 qui se dissout dans votre eau dans une canette de soda, l’hélium se dissout jusqu’à l’intérieur de la planète. »
La deuxième étape du processus est délicate car vous devez épuiser le manteau d’hélium-3 avant qu’il ne commence à fuir du noyau. De nombreuses études ont supposé que l’hélium avait été perdu du manteau lorsque la Terre s’est solidifiée après « l’impact géant ». L’impact géant est la formation présumée de la Lune lors d’une collision entre la proto-Terre et une grande planète de taille équivalente à Mars.
« L’impact géant a été un événement si perturbateur que le manteau terrestre aurait perdu beaucoup de ses gaz, y compris son hélium trois. C’est une étape critique car sinon, le noyau ne fuira pas d’hélium », a déclaré Olson. « Une fois ces deux éléments en place, le processus de fuite que nous avons modélisé n’était qu’une diffusion ordinaire plus une convection dans le manteau terrestre, qui entraîne la tectonique des plaques. Cela transporterait le matériau du manteau jusqu’à la limite noyau-manteau où il entraînerait de l’hélium- 3 du noyau et le ramènent à la surface sur les dorsales océaniques et les points chauds volcaniques, et peut-être le Rio Grande Rift ici au Nouveau-Mexique par exemple. »
« La quantité d’hélium qui fuit est d’environ quatre livres par an, peut-être assez pour remplir 50 ballons selon la taille des ballons », a déclaré Sharp. « Ce n’est pas grand-chose, mais le fait qu’il continue de sortir de la terre tout le temps avec l’idée que le noyau étant une source importante est tout à fait viable. Personne ne se soucie d’un peu d’hélium s’échappant de la Terre dans l’espace , mais nous pensons que c’est une empreinte digitale pour les premiers événements importants de l’histoire de notre planète. C’est la preuve que l’idée d’ingassement nébulaire est valide. Si l’hélium a été livré plus tard par des astéroïdes et des comètes s’écrasant sur la Terre des millions d’années après la formation de la Terre, nous serions ne vous attendez pas à voir autant d’hélium dans le manteau et le noyau profonds. C’est essentiellement un indicateur de l’apport d’eau vitale à la Terre. Il fournit un mécanisme pour créer une planète habitable.
Peter L. Olson et al, Échange primordial d’hélium‐3 entre le noyau et le manteau de la Terre, Géochimie, Géophysique, Géosystèmes (2022). DOI : 10.1029/2021GC009985