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CHAPITRE 2

Les météorites

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Les météorites différenciées et le fractionnement chimique dans le système solaire

L'organisation de notre système en un groupe de planètes rocheuses localisées dans le voisinage du Soleil et un groupe de planètes gazeuses à l'extérieur (Introduction) montre qu'il n'est plus chimiquement homogène, contrairement à ce que l'on observe dans les nuages de gaz interstellaires qui donnent naissance à des étoiles. Notre système paraît donc avoir subi une intense différenciation (ségrégation des éléments), qui doit avoir eu lieu avant ou au cours de la formation des planètes au plus tard.

Le terme «différencié» recouvre en fait plusieurs échelles de phénomènes, au moins deux ici:

1- La différenciation à l'échelle du système solaire d'une part, qui nous questionne sur le mode de création des planètes : comme noté au cours de l’introduction, elle a concentré l’essentiel des éléments réfractaires vers le Soleil, et l’essentiel des éléments volatils vers la périphérie du système;

2- La différenciation à l'échelle de chacun des corps en cours de formation d'autre part, qui va donner les noyaux des planètes (Introduction, Fig. 1) et des fragments rocheux après fragmentation de corps différentiés, qui constituent l’ensemble des météorites différenciées ;. lorsqu’ils percutent la Terre, on les nomme sidérites, sidérolithes, et aérolithes achondritiques. Par opposition, on parlera de météorites indifférenciées pour les chondrites, puisque ces fragments de cailloux n’ont aucune des caractéristiques des roches planétaires, et qu’ils paraissent par conséquent refléter l’état du système solaire avant la différentiation (cf. § suivant « météorites indifférenciées »).

1 La relation de Titius et la ceinture d’astéroïdes

1 - Relation de Titius et ceinture d'astéroïdes

On imagine généralement que les planètes du système solaire sont nées presque en même temps que le soleil, de l'effondrement gravitaire de la nébuleuse (gaz), par agrégation et collision de poussières (accrétion à froid). La relation de Titius (XVIII° siècle) tente de traduire les caractéristiques fondamentales du disque gazeux protosolaire. Il était sans doute animé comme aujourd'hui d'un mouvement de rotation qui lui a conféré une symétrie axiale (de révolution). L'essentiel de sa masse était déjà confiné en son centre. Il suffit alors, qu'il ait été invariant d'échelle pour rendre compte de la distribution observée des planètes. “ Invariant d'échelle ” signifie que ses propriétés physiques suivaient une progression géométrique. Autrement dit, la variation de la propriété p entre R et 2R (distances au soleil), est la même qu'entre 4R et 8R.

On écrit ainsi : R n = R 0 .k n où n est l'ordre de la planète, et R n et R 0 sont respectivement les rayons orbitaux des planètes de rang n et zéro.

La raison k vaut environ 1.7 pour les planètes en rotation autour du Soleil.

Cette relation de Titius écrite à l'époque sous une autre forme, était finalement bien vérifiée pour les 5 planètes connues du vivant de Titius. Elle avait même conduit Bode à supposer dès la fin du XVIII° siècle qu' une planète avait dû exister puis avait dû exploser entre Mars et Jupiter. Or, l'analyse des trajectoires des météorites que la Terre reçoit (lorsque c'est possible) nous montre qu'elles proviennent certainement pour l'essentiel de cette région de l'espace ; et c'est précisément dans cette région que l'on observe une ceinture très riche en astéroïdes . Cette notion de richesse en bien sûr toute relative. Le total de la masse des corps de cette ceinture n'excède pas quelques % de la masse de la Terre , et les quelques corps massifs que l'on y trouve en représentent plus de la moitié. Le plus gros corps et le premier reconnu dans la ceinture d'astéroïdes , Cérès, atteint 930 Km de diamètre (Fig. 7a, Giuseppe Piazzi 1801). Pallas, Vesta (Fig. 7b, Image centrale en couleur : le bleu représente les creux et le rouge les bosses, noter le cratère d'impact de 450 km de diamètre ), Hygiea (400 à 525 km) et 23 autres corps ont une taille de plus de 200 Km . Tous les astéroïdes de plus de 100 km nous sont connus ou presque, et sans doute connaît-on 50% des corps de plus de 10 km . Par contre, on ne sait à peu près rien du million ou plus d'astéroïdes de l'ordre du m au km qui peuplent cette ceinture. La grande majorité présente une faible excentricité et une inclinaison sur le plan de l'eclyptique presque toujours inférieure à 4° (maxi 30°).

On a longtemps rapporté les météorites qui parviennent sur Terre à l'explosion de la planète dite «manquante» de Titius ; mais deux arguments essentiels sont venus infirmer cette hypothèse :

•  la distribution des radio-isotopes dans les météorites impose qu'elles ne sont pas issues d'une planète unique fragmentée tardivement, soit à la suite d'une collision, soit sous l'influence de marées trop fortes provoquées par Jupiter, mais de corps souvent chimiquement distincts les uns des autres ;

•  ce ne sont pas exclusivement des fragments de planète qui nous parviennent de cette région particulière, mais quasi toutes les météorites, y compris les chondrites, or les chondrites sont constituées d'un matériau non planétaire.

Toutefois Titius n'avait pas complètement tord. Dans cette zone orbitale située entre Mars et Jupiter, les interactions fortes entre le champ gravitationnel de Mars et celui que crée la masse énorme de Jupiter constituent un piège pour les grains de poussière ou les cailloux passant dans son voisinage. Ces interactions sont si fortes qu'elles empêchent la formation d'un anneau homogène. La distribution des orbites des astéroïdes fait apparaître des distances de demi grand-axe auxquelles ne correspondent aucun astéroïdes. Ces domaines non peulpés sont appelés lacunes de Kirkwood (Fig. 7c). Elles correspondent aux distances orbitales auxquelles un objet soumis à ces conditions serait en résonance avec la planète géante Jupiter. Le phénomène de résonance se produit lorsque la période de l'orbite de l'objet est une fraction entière de celle de celle de la planète voisine (ici Jupiter). Les lacunes principales sont observées pour les rapports 3:1, 5:2, 7:3 et 2:1 entre astéroïde et Jupiter. Ces lacunes ne sont observables que dans la distribution des demi grand-axes et pas dans celle de la densité des astéroïdes dans la ceinture. En effet, l'excentricité orbitale des astéroides, bien que faible, suffit à ce que ces objets franchissent en nombre les domaines lacunaires dédinis par les demi grand-axes.

Il est donc très vraisemblable qu'aucune planète importante n'a jamais pu se constituer dans cette région en raison des instabilités auxquelles conduisent les interactions avec la planète géante voisine, interactions à ne pas confondre avec la limite de roche[1] de Jupiter qui ne croise pas la ceinture d'astéroïdes (loin s'en faut) et encore moins celle de Mars. Inversement, le piège gravitationnel que constitue cette région aurait par contre favorisé l'accumulation d'astéroïdes, en dispersant les fragments rocheux au cours de leur accrétion. Par ailleurs, ces interactions et instabilités provoquent vraisemblablement des chocs entre objets, et donc des modifications brutales des orbites de ces astéroïdes. Certains d'entre eux seraient alors éjectés sur des orbites très elliptiques recoupant le champ d'attraction des planètes, comme Géographos, Adonis, ou Toutatis (Fig. 7d). En outre, certains corps, à l'image de Cérès, ont pu atteindre une taille suffisante pour qu'ils aient pu connaître une différenciation chimique. Ce sont de tels corps, situés initialement dans cette ceinture soumise aux perturbations complexes des attractions de Jupiter et de Mars où les collisions sont probablement fréquentes, qui ont pu donner naissance par fragmentation ultérieure aux météorites différenciées, achondrites, sidérites et sidérolithes.

Il reste que cette relation de Titius a aussi largement favorisé la découverte des planètes externes, Uranus, Neptune et Pluton, mais la progression géométrique de raison 1.7 n'est que très mal vérifiée pour ces dernières. Cette relation conserve-t-elle un sens physique? Elle traduit à coup sûr le fait imposé par l'attraction universelle que deux corps en cours d'accrétion ne peuvent être trop rapprochés sous peine de voir la compétition pour la capture de la matière environnante interdire leur croissance (cf. la ceinture d'astéroïdes), et que dans le nuage protosolaire un ensemble de perturbations gravitaires allaient contribuer à la constitution des planètes, ou inversement interdire leur constitution,. Dès lors, on peut donc sans doute parler avec André Brahic dans «Sciences de la Terre et de l'Univers» (1999) d'une fausse bonne piste à propos de la relation de Titius, mais elle fut féconde !

2- le fractionnement des éléments chimiques des corps massifs et les météorites différenciées

Le nuage de gaz et de poussières qui constituait la nébuleuse proto-solaire se transforma en un disque plat sous l’effet de la rotation et de la gravitation( cf. paragraphe Les chondrites sont des objets apparus très tôt dans l'effondrement gravitaire de la nébuleuse) Au sein de ce disque, les poussières sont agrégées en corps de plus en plus gros, jusqu’à constituer des planètésimaux. Les vitesses relatives des objets augmentent avec la masse des corps parce qu'elle perturbe le champ de pesanteur à leur voisinage. L'énergie cinétique récupérée lors des collisions s’ajoute à la compression adiabatique (corollaire de l'augmentation de leur taille) pour accroître la température des proto-planètes et engendrer leur fusion. En fin d'accrétion les collisions deviennent si violentes qu'elles peuvent modifier considérablement les planètes qui viennent de se former. Citons Mercure qui va perdre ainsi une grande partie de son manteau et voir ainsi sa masse volumique moyenne augmenter, et la Terre qui donnera naissance à la Lune après une capture - collision cataclysmique (cf. chapitre 4).

Avec la fusion (au moins partielle) des matériaux accrétés à froid, apparaît le premier mode de fractionnement responsable de la ségrégation d’un noyau ferreux chez les planètes telluriques. En effet, à l’état liquide, la gravité permet le transfert du fer (très abondant ) vers un noyau dense.

A l’état solide, un autre mode de transfert du fer vers le noyau peut être envisagé. En effet, les silicates (ils constituent l’essentiel des minéraux des planètes rocheuses, en particulier leur manteau) sont des solutions solides capables d’assimiler dans leur réseau des proportions de fer souvent beaucoup plus élevées aux faibles pressions qu’aux fortes pressions. Il s’ensuit donc que ces phases minérales devenues instables dans la convection descendante « expulsent » leur fraction Fer à la base du manteau, lui permettant de rejoindre ainsi le noyau.

On appelle fractionnement chimique l'ensemble des processus qui tendent à séparer les espèces chimiques ou minéralogiques, en fonction de leur densité et / ou de leur affinité chimique, dans les conditions P, T° de stabilité des solides (minéraux) et des liquides qui les contiennent. On appelle sidérophiles et chalcophiles les éléments chimiques ayant tendance à constituer respectivement des alliages avec le fer et des minéraux avec le soufre (sulfures métalliques en particulier). On appelle lithophiles les éléments volatils ou les éléments volontiers “ capturés ” par Si et O (silicates et oxydes), Mg, Al, Alcalins, alcalino-terreux. Parmi les lithophiles, les éléments à gros rayon ionique et / ou à forte charge, ont des difficultés à entrer dans les réseaux silicatés stables à haute T° et haute P. Ils ont donc quelques difficultés à entrer dans les minéraux du manteau terrestre. En outre, certains éléments ont une forte tendance à constituer des complexes très stables dans les liquides silicatés, préférant ainsi le liquide au solide pour une T° d'équilibre donnée. Tous ces éléments sont donc “ distillés ” à T° décroissante dans des produits ultimes de cristallisation, et vont constituer ce que Claude Allègre appelle “ l'écume de la Terre ”, ou croûte terrestre, et en particulier les continents.

On imagine ainsi que dans les proto-planètes rocheuses en fusion, le noyau s'individualise en raison de la forte densité du fer. Il regroupe avec lui les éléments sidérophiles, le Ni en particulier. Les lithophiles constituent le manteau silicaté puis plus tard la croûte. Parallèlement le dégazage des éléments volatils constitue l’atmosphère primordiale de ces corps.

Certains aérolithes achondrites proviennent d'anciennes roches fondues de compositions très comparables à de la croûte terrestre ou lunaire. Elles résultent d'un fractionnement chimique important. Il peut aussi s'agir de fragments de croûte arrachés à la Lune ou à Mars lors d'impacts. L’une d’entre elles, ALH 84001, défraye la chronique depuis 1996 car elle pourrait apporter le témoignage que l’exobiologie n’est pas un mythe ? Les structures que l’on y observe (Fig. 8) ressemblent beaucoup à des bactéries terrestres, mais elles sont 100 fois plus petites, ce qui rend toute confirmation impossible. Pour nombre de biologiste une telle taille ne permet pas le "rangement" d'une usine cellulaire complète, peut-être des organites cellulaires? Ces nanostructures sont observées dans des microbilles carbonatées qui contiennent aussi des sulfures. Sur Terre les sulfures provenant de la réduction bactérienne de sulfate est courante, mais elle s'accompagne d'une séparation isotopique qui enrichit le sulfure biogénique en ³²S, ce qui n'est pas démontré sur ALH84001. En tous cas, elles ont été suffisamment troublantes pour motiver une part importante du programme de recherche d’exploration de Mars dans les années à venir.

Si l’on rapporte les achondrites à de la croûte planétaire, on assimile corrélativement les sidérites à des morceaux de noyau planétaire, et les très rares météorites mixtes (sidérolithes) à l'interface noyau-manteau. Nombre de météorites proviennent donc de ce qui fut sans doute un ou des corps différencié(s), puis dispersé(s) (Fig. 9).

Les datations obtenues sur des achondrites et des sidérites convergent vers 4.4 Ga±0.1, c'est à dire quelques centaines de millions d'années au plus après la naissance du système solaire. Cet âge pourrait représenter l'épisode de la différenciation des corps planétaires dans le système solaire. Une sidérite datée à 3.8 Ga démontre que ce processus de différenciation a pu affecter des corps «très» tardivement dans la protohistoire de notre système.

Les planètes gazeuses ne sont pas exemptes de différenciation (cf. chapitre introduction), mais celle-ci est beaucoup plus froide (séparation de l'H₂ liquide et métallique par exemple) et ne peut donner naissance qu'à du gaz lors des collisions avec des météores (e. g. comète de Lévy avec Jupiter en 1994, Fig. 10) et ne peut éjecter des matériaux condensés.

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[1] On appelle limite de roche la distance en dessous de laquelle la force de cohésion d’un satellite d’une planète devient inférieure aux forces des marées provoquées par la planète. Le satellite est alors désagrégé.