Des anomalies isotopiques en xénon dans le manteau: implications sur l’origine et l’évolution des éléments volatils terrestres | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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  Des anomalies isotopiques en xénon dans le manteau: implications sur l’origine et l’évolution des éléments volatils terrestres

L’origine des éléments volatils tels que le carbone, l’azote, l’eau et les gaz rares, sur Terre et les autres planètes telluriques, est encore mal comprise. Répondre à cette question est pourtant crucial pour mieux comprendre les processus de formation du système solaire. De par leur caractère inerte, les gaz rares (He, Ne, Ar, Kr, Xe) constituent des traceurs idéaux des sources d’éléments volatils. En particulier le xénon qui présente neuf isotopes aux caractéristiques très différentes : 124Xe, 126Xe, 128Xe et 130Xe sont stables et non-radiogéniques, tandis que 129Xe est en partie issu de la radioactivité éteinte du 129I, et que les isotopes 131Xe, 132Xe, 134Xe et 136Xe sont en partie issus des réactions de fission des éléments 238U et 244Pu dans le manteau. Les isotopes stables et non-radiogéniques du xénon permettent de caractériser les sources d’éléments volatils (c’est-à-dire que leurs compositions ont gardé des traces de la composition terrestre initiale) alors que les isotopes radiogéniques peuvent être utilisés comme chronomètres des processus de dégazage et de recyclage dans le manteau.

 

Cependant, les isotopes 124Xe, 126Xe, 128Xe sont très peu abondants sur Terre (<< ppb) et sont donc difficiles à mesurer, en particulier dans les roches issues du manteau. Des analyses de gaz de puits de CO2 et de sources thermales semblent indiquer un excès de ces trois isotopes dans le manteau par rapport à l’air. Mais des mesures sur des verres de basaltes de dorsales et d’îles océaniques n’en montrent aucun. Les échantillons de verres basaltiques sont très facilement contaminés par l’air au niveau de fractures (figure 1). En analysant des échantillons par broyage, les gaz mantelliques contenus dans les bulles se mélangent à l’air présent dans ces fractures. En outre, les gaz rares lourds atmosphériques (Ar, Kr, Xe) dissous dans l’eau de mer (composition isotopique identique à celle de l’air) semblent être recyclés dans le manteau au niveau des zones de subduction. Tout ceci complexifie la détermination d’éventuelles anomalies en xénon dans le manteau.

 

Figure 1 : Images de microtomographie aux rayons X de l’échantillon de verre de popping rock 2πD43 : a) reconstruction 3D du volume de l’échantillon (3 cm de hauteur), b) coupe 2D du même échantillon. Cet échantillon présente une vésicularité d’environ 16 % (volume des bulles par rapport au volume total), ce qui en fait un des basaltes de dorsale les plus riches en éléments volatils. La flèche grise indique une fracture dans le verre.

 

Pour pallier ces problèmes, un nouveau protocole a été mis en place, consistant à accumuler des gaz rares lourds les moins contaminés possible. En pratique, un échantillon est broyé par palier. Pour chaque palier, la composition en néon est d’abord mesurée, celle-ci permettant de quantifier la contamination atmosphérique. Si le palier est très peu contaminé, les gaz rares lourds sont alors stockés dans un réservoir, sinon ils sont pompés. Cette opération est répétée de nombreuses fois de manière à accumuler suffisamment de xénon pour les analyses des isotopes de masse 124, 126 et 128. A cet effet, un échantillon de verre basaltique de la dorsale atlantique, très riche en gaz, a été étudié : la popping rock 2πD43 (figure 1).

 

Les mesures montrent les plus forts excès en 124Xe, 126Xe, 128Xe jamais détectés dans le manteau par rapport à l’air. Ces excès pointent vers une origine chondritique du xénon dans le manteau plutôt que solaire. La composition du manteau pour ces isotopes s’explique donc par un mélange entre une source chondritique et des gaz rares atmosphériques recyclés au niveau des zones de subduction. Les nouvelles données obtenues, d'une grande précision, pour les isotopes radiogéniques du xénon couplées à celles des isotopes stables, non-radiogéniques, ont permis de montrer que le recyclage du xénon et probablement d’autres éléments volatils dans le manteau n’avait pas été efficace avant 3 Ga.

 

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Date de publication : 
30 Janvier 2019