Accrétion et différenciation des planétésimaux et des planètes telluriques: Contraintes apportées par le système 182Hf-182W

devant le jury composé de: Max Schmidt ...................... Président Francis Albarède ................. Rapporteur Alex Halliday .................... Rapporteur Jean-Louis Birck ................. Examinateur Bernard Bourdon .................. Directeur de thèse Thorsten Kleine .................. Directeur de thèse Résumé: Le chronomètre à courte période 182Hf-182W (T1/2 = 8,9 Ma) est un instrument puissant d'investigation de l'évolution du système solaire primitif. Hf et W sont des éléments réfractaires et sont supposés être présents en abondances chondritiques dans les objets du système solaire. Toutefois, le W est un élément modérément sidérophile et très incompatible tandis que l'Hf est strictement lithophile et également incompatible mais à un degré moindre puisqu'il est préférentiellement incorporé dans l'ilménite et le clinopyroxene. Ces différences de propriétés géochimiques permettent une application variée de ce chronomètre, notamment pour contraindre les échelles de temps de l'accrétion, du métamorphisme thermique et de la differentiation des planètes et des planétésimaux. Les isochrones internes réalisées sur les acapulcoites, les lodranites et les chondrites H5 et H6 conduisent à des âges Hf-W de 5,1 ± 0,9, 5,6 ± 1,0, 5,9 ± 0,9 Ma et 9,6 ± 1,0 Ma après la formation des CAI respectivement. Des simulations numériques de la diffusion du W montrent que les températures de fermeture du système Hf-W dans ces différentes météorites sont proches des températures maximales atteintes lors du pic thermique du métamorphisme affectant leurs corps parents. La connaissance de l'évolution thermique à haute température de ces planétésimaux, en conjonction avec un modèle thermique de refroidissement d'objets chauffés par la désintégration de l'26Al, permet de définir avec plus de précision leur âge d'accrétion. La séquence chronologique ainsi obtenue révèle que l'accrétion du corps parent des chondrites H (entre ~2 et ~4 Ma après la formation du système solaire) est plus récente que celle du corps parent des acapulcoites et des lodranites (entre ~1,5 et ~2 Ma après la formation du système solaire), elle-même postérieure à l'accrétion des planétésimaux différenciés (moins d'~1 Ma la formation du système solaire). Elle suggère que le degré de différenciation des planétésimaux est essentiellement contrôlé par l'abondance de 26Al incorporé lors l'accrétion donc par leur temps d'accrétion et que le chauffage par impacts n'a joué qu'un rôle secondaire. Nos résultats montrent également que les corps parents des chondrites H et des acapulcoites-lodranites ont des rapports Hf/W similaires (0,63 ± 0,20) mais significativement inférieurs au rapport Hf/W des chondrites carbonées (1,21 ± 0,06). Cette différence, inattendue pour des éléments réfractaires, révèle un fractionnement Hf- W au cours des deux premiers Ma du système solaire qui pourrait être produit lors de processus au sein de la nébuleuse avant ou durant l'accrétion des planétésimaux. Contrairement aux résultats des études précédentes, nos nouvelles données isotopiques du W obtenues pour une série de métaux lunaires et deux anorthosites lunaires montrent que les produits de la cristallisation de l'océan magmatique lunaire ont tous une composition isotopique identique, dont la valeur est similaire à celle du manteau terrestre. Nous avons montré que les anomalies de 182W rapportées précédémment sont d'origine cosmogénique, et sont générées par la production de 182W à partir de 181Ta par capture neutronique, liée à l'intense exposition de la surface lunaire aux rayonnements cosmiques. En revanche, les compositions isotopiques déterminées dans notre étude sont dépourvues de composant cosmogénique : les fractions de métaux lunaires obtenues sont suffisamment pures et ne contiennent pas de tantale; les anorthosites sélectionnées ont des âges d'exposition très jeunes (< 2 Ma) et des fractions pures de plagioclases en ont été extraites. La mise en évidence de signatures isotopiques identiques dans les produits de l'océan magmatique lunaire en dépit de leurs rapports Hf/W différents conduit à une révision importante de l'âge Hf-W de différenciation de la Lune : prédemment estimé à ~30Ma (Kleine et al., 2005), celle-ci est en réalité intervenue plus de 60Ma après la formation du système solaire. De plus, la similarité des compositions isotopiques des manteaux terrestre et lunaire indiquent que la formation de la Lune a dû avoir lieu le plus vraisemblablement à après la formation du système solaire et suggére une rééquilibration des isotopes du tungstène entre l'océan magmatique terrestre et le disque proto-lunaire. L'impact géant à son origine étant le dernier événement majeur de l'accrétion terrestre, cet âge correspond à l'âge de la fin de l'accrétion de la Terre. En accord avec les prédictions des modèles dynamiques, il constitue, à l'heure actuelle, la meilleure estimation du temps qui a été nécessaire pour évoluer d'un disque de poussières et de gaz à un système planétaire. Mots clés : 182Hf, 182W, radioactivité éteinte, chronometrie, système solaire primitif, planétésimal, planète, Lune, météorite, accrétion, différenciation, impact géant, océan de magma, équilibration isotopique, âge de la Terre.