Les grandes provinces à faible vitesse (LLVP) situées dans les profondeurs du manteau terrestre pourraient être des reliques des matériaux du manteau théien. Crédit : Hongping Deng et Hangzhou Sphere Studio
Une étude menée par Caltech suggère que deux structures massives et riches en fer situées au plus profond du manteau terrestre sont les restes de Theia, une ancienne planète qui est entrée en collision avec la Terre, créant également la Lune. Cette découverte répond à des questions de longue date sur l’origine de la Lune et le sort de Theia.
Dans les années 1980, les géophysiciens ont fait une découverte surprenante : deux taches de matière inhabituelle de la taille d’un continent ont été découvertes profondément près du centre de la Terre, l’une sous le continent africain et l’autre sous l’océan Pacifique. Chaque goutte est deux fois plus grande que la Lune et est probablement composée de proportions d’éléments différentes de celles du manteau qui l’entoure.
Origines des grandes provinces à faible vélocité
D’où viennent ces étranges blobs, anciennement connus sous le nom de grandes provinces à faible vitesse (LLVP) ? Une nouvelle étude menée par des chercheurs de Caltech suggère qu’il s’agit des vestiges d’une ancienne planète qui est violemment entrée en collision avec la Terre il y a des milliards d’années lors du même impact géant qui a créé notre Lune.
L’étude, publiée dans la revue Nature le 1er novembre, propose également une réponse à un autre mystère scientifique planétaire. Les chercheurs ont longtemps émis l’hypothèse que la Lune aurait été créée à la suite d’un impact géant entre la Terre et une planète plus petite appelée Theia, mais aucune trace de Theia n’a jamais été trouvée dans la ceinture d’astéroïdes ou dans les météorites. Cette nouvelle étude suggère que la majeure partie de Theia a été absorbée par la jeune Terre, formant les LLVP, tandis que les débris résiduels de l’impact se sont fusionnés dans la Lune.
Visualisation de la Terre avec de gros « blobs » de matière dense près du noyau terrestre. Ces blobs ont été découverts dans les années 1980. Aujourd’hui, les chercheurs proposent qu’il s’agisse en réalité des restes d’une ancienne planète, Theia, qui est entrée en collision avec la Terre pour former la Lune. Crédit : Edward Garnero
Méthodologie et résultats de recherche
La recherche a été dirigée par Qian Yuan, chercheur postdoctoral OK Earl, associé de recherche dans les laboratoires de Paul Asimow (MS ’93, PhD ’97), du professeur Eleanor et John R. McMillan de géologie et géochimie ; et Michael Gurnis, professeur de géophysique John E. et Hazel S. Smits et titulaire de la chaire de leadership Clarence R. Allen, directeur du laboratoire sismologique de Caltech et directeur de la Schmidt Academy for Software Engineering de Caltech.
Les scientifiques ont découvert les LLVP pour la première fois en mesurant les ondes sismiques traversant la Terre. Les ondes sismiques se propagent à différentes vitesses à travers différents matériaux et, dans les années 1980, les premiers indices de variations tridimensionnelles à grande échelle au plus profond de la structure de la Terre sont apparus. Dans le manteau le plus profond, la configuration des ondes sismiques est dominée par les signatures de deux grandes structures proches du noyau terrestre qui, selon les chercheurs, possèdent un niveau de fer inhabituellement élevé. Cette teneur élevée en fer signifie que les régions sont plus denses que leur environnement, ce qui ralentit les ondes sismiques qui les traversent et leur donne le nom de « grandes provinces à faible vitesse ».
Yuan, géophysicien de formation, assistait à un séminaire sur la formation des planètes donné par Mikhail Zolotov, professeur à l’Arizona State University, en 2019. Zolotov a présenté l’hypothèse d’un 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 ait dit que personne ne sait où se trouve maintenant l’impacteur, j’ai eu un moment d’eurêka et j’ai réalisé que l’impacteur riche en fer aurait pu se transformer en blobs du manteau », explique Yuan.
Une simulation détaillée de Theia s’écrasant sur Terre. Bien que la collision ait été violente, elle n’a pas été assez énergétique pour faire fondre le manteau inférieur de la Terre, ce qui signifie que les restes de Theia ont pu être préservés, plutôt que mélangés de manière homogène à la matière terrestre. Crédit : Hongping Deng
Yuan a travaillé avec des collaborateurs multidisciplinaires pour modéliser différents scénarios concernant la composition chimique de Theia et son impact sur la Terre. Les simulations ont confirmé que la physique de la collision aurait pu conduire à la formation des LLVP et de la Lune. Une partie du manteau de Theia aurait pu être incorporée à celui de la Terre, où elle s’est finalement regroupée et cristallisée pour former les deux taches distinctes détectables aujourd’hui à la frontière entre le noyau et le manteau de la Terre ; d’autres débris de la collision se sont mélangés pour former la Lune.
Implications et recherches futures
Face à un impact aussi violent, pourquoi la matière de Theia s’est-elle regroupée en deux gouttes distinctes au lieu de se mélanger au reste de la planète en formation ? Les simulations des chercheurs ont montré qu’une grande partie de l’énergie délivrée par l’impact de Theia restait dans la moitié supérieure du manteau, laissant le manteau inférieur de la Terre plus froid que ce qui était estimé par les modèles d’impact précédents à plus faible résolution. Parce que le manteau inférieur n’a pas été totalement fondu par l’impact, les gouttes de matière riche en fer de Theia sont restées en grande partie intactes lorsqu’elles ont été tamisées jusqu’à la base du manteau, comme les masses colorées de cire de paraffine dans une lampe à lave éteinte. Si le manteau inférieur avait été plus chaud (c’est-à-dire s’il avait reçu plus d’énergie de l’impact), il se serait mélangé plus complètement avec la matière riche en fer, comme les couleurs dans un pot de peinture agité.
Les prochaines étapes consisteront à examiner comment la présence précoce du matériau hétérogène de Theia au plus profond de la Terre aurait pu influencer les processus internes de notre planète, tels que la tectonique des plaques.
« Une conséquence logique de l’idée selon laquelle les LLVP sont des vestiges de Theia est qu’ils sont très anciens », explique Asimow. « Il est donc logique d’étudier ensuite quelles conséquences ils ont eu sur l’évolution la plus ancienne de la Terre, comme le début de la subduction avant que les conditions ne soient propices à une tectonique des plaques de style moderne, la formation des premiers continents et l’origine des plus anciens continents. minéraux terrestres survivants.
De nouvelles recherches répondent à deux mystères de longue date de la science planétaire : que sont les mystérieuses « taches » géantes de matière proches du noyau terrestre, et qu’est-il arrivé à la planète qui s’est écrasée sur la Terre pour créer la Lune ? Une nouvelle étude de Caltech suggère que les restes de cette ancienne planète se trouvent toujours à l’intérieur de la Terre, expliquant les origines des « blobs » près de la limite noyau-manteau.
Qian Yuan est le premier auteur. Outre Yuan et Asimow, le co-auteur supplémentaire de Caltech est Yoshinori Miyazaki, chercheur postdoctoral Stanback associé de recherche en évolution planétaire comparée. Les coauteurs supplémentaires sont Mingming Li, Steven Desch et Edward Garnero (PhD ’94) de l’Arizona State University (ASU) ; Byeongkwan Ko de l’ASU et de la Michigan State University ; Hongping Deng de l’Académie chinoise des sciences ; Travis Gabriel de l’US Geological Survey ; Jacob Kegerreis de NASAle centre de recherche Ames de ; et Vincent Eke de l’Université de Durham. Le financement a été fourni par la National Science Foundation, la bourse postdoctorale OK Earl de Caltech, l’US Geological Survey, la NASA et le Caltech Center for Comparative Planetary Evolution.
