Il est largement admis que la Terre primitive était en grande partie constituée de magma en fusion, formant un océan mondial de magma. Cet état extrême de la Terre a probablement été causé par la chaleur intense générée par les impacts d’accrétion, c’est-à-dire la collision de petits corps célestes avec la Terre. Comprendre la formation de cet océan de magma est essentiel pour comprendre la formation de la Terre.
L’un des principaux problèmes des modèles actuels de formation des océans de magma est l’absence de consensus sur les températures de fusion des roches du manteau profond. Les modèles expliquant la formation du noyau terrestre utilisent un ensemble spécifique de données expérimentales pour estimer les températures de fusion du manteau, mais des expériences récentes ont montré que ces températures peuvent différer de 200 à 250 °C des données précédemment acceptées.
Certaines études indiquent que la fugacité de l’oxygène, ou la quantité d’oxygène disponible dans le manteau, pourrait avoir une forte influence sur les températures de fusion des roches du manteau profond, ce qui pourrait à son tour avoir influencé la formation de l’océan de magma. On pense que la fugacité de l’oxygène du manteau a augmenté au cours de l’accrétion, de la formation du noyau et de l’évolution ultérieure du manteau ; cependant, l’effet de cette augmentation sur les températures de fusion des matériaux du manteau profond reste flou.
Pour combler cette lacune, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur associé Takayuki Ishii de l’Institut des matériaux planétaires de l’Université d’Okayama, au Japon, et le Dr Yanhao Lin du Centre de recherche avancée sur les sciences et technologies à haute pression, en Chine, ont étudié les effets de la fugacité de l’oxygène sur la formation des océans de magma au cours de l’évolution primitive de la Terre.
« L’évolution de la Terre primitive a été grandement influencée par la fugacité de l’oxygène, ce qui pourrait nécessiter de reconsidérer les modèles actuels. À cette fin, nous avons évalué l’effet de la fugacité de l’oxygène sur les températures de fusion des matériaux du manteau profond afin de contraindre les conditions au fond d’un océan de magma terrestre profond », explique le professeur Ishii.
L’étude a également impliqué le professeur Wim van Westrenen du département des sciences de la Terre, faculté des sciences de la Vrije Universiteit d’Amsterdam, aux Pays-Bas, le professeur Tomoo Katsura du Bayerisches Geoinstitut, université de Bayreuth, en Allemagne, et le Dr Ho-Kwang Mao du Centre de recherche avancée sur les sciences et technologies à haute pression, en Chine. publié en ligne dans le journal Géosciences de la nature le 16 juillet 2024.
Les chercheurs ont mené des expériences de fusion à des pressions de 16 à 26 gigapascals, similaires à des profondeurs du manteau comprises entre 470 et 720 km, à des fugacités élevées en oxygène, sur de la pyrolite mantellique, une composition de matériau représentant le manteau terrestre. Les résultats ont révélé que sur cette plage de pression, les températures de fusion diminuaient avec l’augmentation de la fugacité en oxygène et étaient au moins 230 à 450 °C inférieures à celles des expériences menées à des fugacités faibles en oxygène.
En supposant une température constante pour l’océan de magma, cela implique que le plancher océanique de magma s’approfondit d’environ 60 km pour chaque augmentation d’unité logarithmique de la fugacité de l’oxygène du manteau. Cette forte influence de la fugacité de l’oxygène sur la fusion du manteau suggère que les modèles actuels d’évolution thermique et de formation du noyau de la Terre primitive doivent être réévalués.
De plus, ces résultats peuvent également expliquer l’écart apparent entre les faibles fugacités d’oxygène prédites pour le manteau profond de la Terre après la formation du noyau et les fugacités d’oxygène élevées observées dans les roches magmatiques vieilles de plus de 3 milliards d’années, formées par la fusion du manteau profond.
« Au-delà de la formation de la Terre, nos découvertes sur la dépendance des températures de fusion à la fugacité de l’oxygène peuvent également être appliquées pour comprendre la formation d’autres planètes rocheuses susceptibles d’abriter la vie humaine », remarque le Dr Lin, soulignant l’impact potentiel de l’étude. Il ajoute : « Par exemple, ces résultats peuvent améliorer notre compréhension de Mars, qui est un sujet brûlant en ce qui concerne l’habitabilité humaine. »
Plus d’informations :
Yanhao Lin et al, Fusion à la base d’un océan de magma terrestre contrôlée par la fugacité de l’oxygène, Géosciences de la nature (2024). DOI : 10.1038/s41561-024-01495-1