Origine et evolution de l'oxygene et de l'eau sur Terre

[Geb]

Cette discussion a ete extraite de l'actualite suivante : http://forums.futura-sciences.com/co...asteroide.html deviant vers un tout autre sujet. (T-K)

Contiendrait-il des minerais inconnus ?

À ma connaissance, c'est plutôt sur Terre qu'il y a des "minerais inconnus" dans l'espace :

From the Big Bang to Broadway: How Things Evolve (51 minutes)

D'après le géologue américain Robert M. Hazen (voir "Mineral evolution" à partir de 20:02 dans la vidéo ci-dessus), il y a plus de 4500 minéraux différents sur Terre aujourd'hui, tandis qu'il n'y a "que" 250 minéraux différents dans les astéroïdes.

Cordialement.
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[Tawahi-Kiwi]

D'après le géologue américain Robert M. Hazen (voir "Mineral evolution" à partir de 20:02 dans la vidéo ci-dessus), il y a plus de 4500 minéraux différents sur Terre aujourd'hui, tandis qu'il n'y a "que" 250 minéraux différents dans les astéroïdes.

Cette synthese de Hazen est basee sur ce que l'on connait des meteorites tombees sur Terre. Il pourrait tres bien y avoir une mineralogie organique/hydratee jamais etudiee dans une meteorite directement collectee dans l'espace. Neanmoins, les proportions resteront globalement les memes (4349 especes repertoriees) et seulement quelques centaines extraterrestres. Les conditions physico-chimiques etant beaucoup plus variees sur Terre.

A part dater son âge, que peuvent-il apprendre d'autre ou de plus ?

Comme l'article le fait remarquer, les retombees scientifiques pures sont relativement limitees mais d'un point de vue technologie, c'est un beau challenge; d'un point de vue economique, cela peut etre critique sur le long terme.
Le sol lunaire n'a pas grand chose a voir avec les meteorites provenant d'asteroides. Les impacts peuvent etre de bons endroits de prospections, mais quand tu regardes le rapport cratere/taille de la meteorite, sachant que cette derniere est le plus souvent vaporisee, cela n'aide pas. Split rock, la photo que tu montres, est un bloc de roche lunaire qui a souffert de l'impact. Pas un morceau de meteorite.

A noter qu'un mineral est un compose chimique.
Un minerai est une roche economiquement exploitable.

l y a des astéroïdes a haute teneur de titane, platine ou or ?

Les siderites sont parmi les plus riches en fer, nickel, cobalt et platinoides. L'or n'est pas top, de meme que le titane.

150m de diametre de siderite hexadrite (7g/cm³) = ~10Mt dont :
8.5Mt de fer
0.5Mt de nickel
Quelques milliers de tonnes de Co, Cr, Mn etc...

de 60 a 1800 tonnes de platine (~40E/g)
de 40 a 1200 tonnes de ruthenium (~4.5E/gr)
de 30 a 900 tonnes de palladium (~30E/g)
de 20 a 600 tonnes d'iridium (~30E/g)
de 20 a 700 tonnes d'osmium (~25E/g)
de 7 a 200 tonnes de rhodium (~60E/g)
de 2 a 60 tonnes de rhenium (4.5E/g)

donc, pour une siderite parfaite, riche en PGE, ca donne un total 150 milliards d'euros et pour l'octaedrite la plus pauvre, un petit 5 milliards d'euros.

auquel il faut ajouter quelques millions de tonnes de nickel a 18E/kg et le reste de fer a 0.3 E/kg qui ajoute un peu de 10 milliards au prix de la siderite.

Total de l'exploitation du caillou : entre 15 et 150 milliards d'euros.

Sympa, mais le marche des metaux ne se remettra jamais d'un tel input.

Pour ue octaedrite (les plus communes, 5%), on est entre 2 et 20 milliards d'euros.

Voir les discussions ici:
http://forums.futura-sciences.com/co...steroides.html
http://forums.futura-sciences.com/pl...ml#post3594561
http://forums.futura-sciences.com/ac...steroides.html

T-K

Jules Verne : la chasse au météore (ce n'est pas son roman le plus connu).

egalement repris comme legende populaire dans :"3001, l'Odysee finale" de Clarke.

[Geb]

Cette synthese de Hazen est basee sur ce que l'on connait des meteorites tombees sur Terre. Il pourrait tres bien y avoir une mineralogie organique/hydratee jamais etudiee dans une meteorite directement collectee dans l'espace. Neanmoins, les proportions resteront globalement les memes (4349 especes repertoriees) et seulement quelques centaines extraterrestres. Les conditions physico-chimiques etant beaucoup plus variees sur Terre.

Merci beaucoup pour le chiffre exact des différents minéraux répertoriés. Ça m'a permis de trouver la liste de l'International Mineralogical Association.

Puisque Bob Hazen dit également qu'environ deux tiers des espèces minérales terrestres connues sont dues à la vie, j'aurais voulu savoir si le taux d'oxygène dans la croûte terrestre (~47% à l'heure actuelle) est également le même dans les météorites (qui ressemblent a priori davantage aux matériaux dont la Terre s'est formé à l'origine) ou s'il a progressivement augmenté sur Terre ces ~3,5 derniers milliards d'années à cause des organismes capables de photosynthèse oxygénique ?

Si je devais fournir moi-même une réponse intuitive, je dirais que j'hésite car dans les océans, j'imagine que le taux d'oxygène moléculaire dissout varie énormément avec la profondeur et qu'à partir d'une certaine profondeur/pression, il existe sans doute des milieux anoxiques.

Cordialement.

[Tawahi-Kiwi]

Puisque Bob Hazen dit également qu'environ deux tiers des espèces minérales terrestres connues sont dues à la vie, j'aurais voulu savoir si le taux d'oxygène dans la croûte terrestre (~47% à l'heure actuelle) est également le même dans les météorites (qui ressemblent a priori davantage aux matériaux dont la Terre s'est formé à l'origine) ou s'il a progressivement augmenté sur Terre ces ~3,5 derniers milliards d'années à cause des organismes capables de photosynthèse oxygénique ?

Difficile de repondre en comparaison aux meteorites car il n'y a pas de meteorite "crustale" globale. Les chondrites ont grosso-modo la composition de la Terre globale (noyau+manteau+croute), les siderites la composition du noyau et certaines achondrites la composition de la terre silicatee (manteau + croute). Pour le reste, la croute est trop heterogene et varie trop d'un corps celeste a un autre pour etre facilement comparee (cf. meteorites martiennes, lunaires, HED et autres achondrites).

Ma reponse intuitive serait que globalement, il n'y a pas de changement de teneur en oxygene (a moins de l'amener d'ailleurs). Localement, il y a eu une redistribution. Le manteau inferieur est probablement inchange, le manteau superieur est un chouia plus oxyde depuis l'Archeen. La croute est devenu extrement heterogene avec des roches extrement oxydees (ex. les hematites des BIF) ou reduites (charbon). L'atmosphere et les oceans se sont considerablement oxydes bien evidemment.

Donc je ne serais pas surpris si au final, il n'y a pas une tres legere migration de l'oyxgene vers la croute oceanique et la croute continentale superieure (en plus de l'hydrosphere et l'atmosphere). Ce serait interessant de faire une balance de masse de maniere un peu plus rigoureuse mais ca ne doit pas etre si facile.

T-K

[A voir en vidéo sur Futura]

[Geb]

Merci pour ta prompte réponse.

Difficile de repondre en comparaison aux meteorites car il n'y a pas de meteorite "crustale" globale.

D'accord. Dans ce cas, oublions la comparaison avec les autres corps célestes.

Ma reponse intuitive serait que globalement, il n'y a pas de changement de teneur en oxygene (a moins de l'amener d'ailleurs).

Comme tu le dis plus loin, je pensais plutôt à un enrichissement local significatif (peut-être quelques %) de la croûte (et uniquement de la croûte) terrestre. A priori, je pensais plutôt à cause de l'enrichissement atmosphérique en oxygène moléculaire d'une part et de l'hydrosphère (H2O, donc si la croûte est plus hydratée, elle est forcément plus riche en oxygène) d'autre part.

Encore qu'à propos de l'hydrosphère, je ne savais pas si la concentration d'oxygène n'était pas "contrecarrée" par l'augmentation de la profondeur jusqu'au plancher océanique. De plus, l'eau semble être plus concentrée dans le manteau supérieur à l'heure actuelle qu'elle ne l'était à l'origine il y a plusieurs milliards d'années.

Maintenant j'ai un sérieux doute... Est-ce que le fait que l'oxygène se trouve préférentiellement dans l'atmosphère et dans l'océan de nos jours, n'y a t-il pas alors un appauvrissement de la croûte en oxygène ?

Localement, il y a eu une redistribution. Le manteau inferieur est probablement inchange, le manteau superieur est un chouia plus oxyde depuis l'Archeen. La croute est devenu extrement heterogene avec des roches extrement oxydees (ex. les hematites des BIF) ou reduites (charbon). L'atmosphere et les oceans se sont considerablement oxydes bien evidemment.

Donc, il n'est pas impossible que le manteau supérieur et la croûte aient été enrichi depuis disons, la fin de l'Archéen, justement à cause de cette redistribution dans l'atmosphère et dans les océans ?

Donc je ne serais pas surpris si au final, il n'y a pas une tres legere migration de l'oyxgene vers la croute oceanique et la croute continentale superieure (en plus de l'hydrosphere et l'atmosphere). Ce serait interessant de faire une balance de masse de maniere un peu plus rigoureuse mais ca ne doit pas etre si facile.

Justement à propos de la balance de masse, comment ont pourrait faire ça en gros ? En mesurant les concentrations d'oxygène dans des roches de différentes ères géologiques (dans l'espoir de mettre en évidence un éventuel appauvrissement/enrichissement progressif ?)

Cordialement.

[Tawahi-Kiwi]

Maintenant j'ai un sérieux doute... Est-ce que le fait que l'oxygène se trouve préférentiellement dans l'atmosphère et dans l'océan de nos jours, n'y a t-il pas alors un appauvrissement de la croûte en oxygène ?

Pas forcement, l'oxygene dans l'atmosphere est un changement de phase, pas forcement un systeme ouvert avec les roches. Dans un systeme isole avec une plante et du CO₂, tu vas te retrouver avec une plante, du carbone (dans la plante) et de l'oxygene, sans prendre de l'oxygene de nulle part.

Donc, il n'est pas impossible que le manteau supérieur et la croûte aient été enrichi depuis disons, la fin de l'Archéen, justement à cause de cette redistribution dans l'atmosphère et dans les océans ?

Je crois que l'oxydation du manteau superieur est plus ou moins enregistree dans les magmas durant le Proterozoique, et c'est en partie liee a l'oxygene atmospherique (via les zones de subductions).

Justement à propos de la balance de masse, comment ont pourrait faire ça en gros ? En mesurant les concentrations d'oxygène dans des roches de différentes ères géologiques (dans l'espoir de mettre en évidence un éventuel appauvrissement/enrichissement progressif ?)

Ce n'est pas une balance de masse facile car le systeme n'est pas a l'equilibre. Laisse la Terre sans biosphere pendant quelques milliers d'annees et a mon avis, il n'y aura plus d'oxygene libre. Laisse la sans biosphere quelques centaines de millions d'annees et elle n'aura plus de roches oxydees.

Il faut estimer la masse d'oxygene atmospherique, la masse d'oxygene en solution dans l'eau; la masse d'oxygene dans la biosphere, la masse d'oxygene aqueux (coince dans H₂), l'intensite de l'oxydation des roches de surface en comparaison avec le taux d'exhumation, la masse d'oxygene (sous quelle forme) qui est accumulee dans les fosses oceaniques, le transfert de masse d'un point de vue de l'oxygene et des etats d'oxydation au niveau des zones de subductions; le transfert de masse au niveau de l'alteration hydrothermale de la croute oceanique, l'heterogeneite mantellique, la teneur en eau et la fugacite en oxygene du manteau...

Je suis a peu pres certain que quelqu'uns s'est amuse a le faire, faut juste trouve la publi.

T-K

[JPL]

Maintenant j'ai un sérieux doute... Est-ce que le fait que l'oxygène se trouve préférentiellement dans l'atmosphère et dans l'océan de nos jours, n'y a t-il pas alors un appauvrissement de la croûte en oxygène ?

Fondamentalement l'oxygène d'origine biologique provient de l'eau, pas des minéraux de la croute. Mais ultérieurement une partie non négligeable a été refixée dans des composés minéraux (la grande oxydation).

[Tawahi-Kiwi]

Fondamentalement l'oxygène d'origine biologique provient de l'eau, pas des minéraux de la croute.

Fondamentalement, une grosse partie de l'eau et de l'oxygene proviennent du manteau primordial .

Une partie non negligeable (entre 1/5 et 2/3) de l'eau terrestre est d'ailleurs toujours dans le manteau, quelques ppm de concentrations mais sur un volume enorme.
A une echelle geologique, l'ensemble de l'eau des oceans et de la biosphere est egalement recyclee entierement dans la croute, un cycle complet prend moins de 10 millions d'annees, donc il est difficile de clairement separe les deux (croute & oceans) a une echelle globale.

Neanmoins, je suis d'accord qu'il est correct de dire que la production d'oxygene se fait, pour sa majeure partie, en milieu aqueux oceanique, particulierement a l'Archeen-Proterozoique.

T-K

[Geb]

Fondamentalement, une grosse partie de l'eau et de l'oxygene proviennent du manteau primordial .

Suite à ton message, je me suis documenté sur la théorie du dégazage atmosphérique, principalement pour savoir si elle était encore considérée comme "correcte" à l'heure actuelle.

D'après ma courte recherche, cette théorie apparaît en 1951, de la bouche du géologue américain William Walden Rubey (1898 - 1974), à l'occasion de son discours présidentiel à la Geological Society of America.

À propos de cet évènement, on peut lire dans son "mémoire bibliographique" (une nécrologie) écrit par Gary Ernst, on peut lire (en page 5 du pdf) :

[...] Bill's 1951 presidential address to the Geological Society of America dealt with the origin of seawater, and was subsequently amplified in Geological Society of America Special Paper 62, which appeared in 1955; in this article, he demonstrated that the atmosphere and hydrosphere have accumulated gradually near the earth's surface over the course of geologic time as a consequence of the outgassing of the deep interior. This is perhaps Bill's best-known and most frequently cited work, [...]

Hors, ce papier publié donc dans le bulletin de la Geological Society of America (GSA) en 1955, est toujours disponible gratuitement sur le site de la GSA :

Geological history of sea water. An attempt to state the problem (Rubey, 1955)

D'ailleurs, il aurait introduit à l'occasion le terme de "excess volatiles" (volatiles en excès), comme indiqué dans ce PowerPoint (à la 6e diaporama de la présentation) :

Provision of noble gases to Venus atmosphere from comets and volcanoes (Bargery, 2010)

Or, dans le papier de Rubey mis en lien plus haut, on peut lire :

The most definite information about the paleochemistry of sea water and atmosphere may come eventually from the biologists, but the best evidence now available seems to lie in a comparison of the composition of rocks that have been weathered and of sediments that have been deposited during the geologic past. This general method has been used by Clarke (1924, p. 31-32), Goldsdimidt (1933, p. 131-133), Kuenen (1946), and others (Leith and Mead, 1915, p. 73; Twenhofel, 1929, p. 395-399) to estimate the total mass of rocks eroded and sediments deposited. Using a modification of this method, I have attempted to bring these earlier estimates up to date. But one must still rely on much the same data used by others; and attempted refinements of the method still give pretty much the same answers as before. Suffice it to say that, when this method is applied to rocks of different ages and to each of the commoner rock-forming elements—silicon, aluminum, iron, calcium, and several others—, the results are in surprisingly good agreement with one another. But for another group it is clear, even with present data, that there is no such agreement. All the constituents of this latter group are much too abundant in the present atmosphere and hydrosphere and in ancient sediments to be accounted for as simply the products of rock weathering—the explanation that fits well enough for the commoner elements. Compared with the commoner rock-forming oxides, the members of this group are all relatively volatile¹. They are the substances which, in the language of the early chemists, we might call the distillable spirits of the earth's solid matter. [...]

¹ Hence Fenner's convenient term, "volatiles", for the entire group (1926, p. 696-697).

Donc, Rubey lui-même attribue (en note de bas de page) le terme de "volatiles" dans son sens moderne en géologie à un autre géologue américain, Clarence Norman Fenner (1870 – 1949).

Toujours pas convaincu, j'ai lancé une recherche sur Google scholar et j'ai trouvé le plus vieux papier à ma connaissance employant ce terme en géologie dans son sens moderne. Il s'agit d'une publication de septembre 1917, par le géologue canadien Reginald Aldworth Daly (1871-1957), qui utilisent indistinctement les termes de "volatile agents" et "volatiles" :

Genetic classification of underground volatile agents (Daly, 1917)

Enfin, ça ce n'était qu'un détail sans importance, juste pour les curieux.

Une partie non negligeable (entre 1/5 et 2/3) de l'eau terrestre est d'ailleurs toujours dans le manteau, quelques ppm de concentrations mais sur un volume enorme.

J'avais lu un passage intéressant dans un papier sur arXiv, par le très célèbre Alessandro Morbidelli et ses collègues :

Building terrestrial planets (Morbidelli et al., 2012)

In fact, the mass of the water contained in the Earth's crust (including the oceans and the atmosphere) is 2.8x10^-4 Earth masses; the mass of the water in the present-day mantle is estimated to be in the range 0.8-8x10^-4 Earth masses (Lecuyer et al. 1998). Thus, the current bulk water-content on Earth is presumably in the range 5x10^-4–10^-3. However, a larger quantity of water might have resided in the primitive Earth and been subsequently lost during core formation and impacts. Thus, the current Earth has water content larger than enstatite chondrites and it is possible that the primitive Earth had water content comparable to or larger than ordinary chondrites.

Si je comprends bien l'article de Morbidelli, il n'y aurait pas eu de "late veneer", mais plutôt un dégazage, particulièrement lors de l'impact avec la Lune. Ensuite, l'océan (encore à plusieurs centaines de °C) a plu littéralement sur Terre en quelques milliers d'années maximum (Nisbet & Sleep, 2001). À cette époque il y aurait pu y avoir plusieurs fois la quantité d'eau dans les océans actuels à la surface de la Terre. Puis, depuis 4,4 milliards d'années, et avec les impacts météoritiques du Late Heavy Bombardment ainsi qu'un retour de l'eau au manteau terrestre (qui en constitue le plus grand réservoir aujourd'hui), le niveau des océans aurait baissé de plusieurs kilomètres.

À noter que la vision du Late Heavy Bombardment a beacoup évolué grâce au modèle de Morbidelli et al. Aujourd'hui, on estime que le taux d'impact météoritique n'a jamais été assez intense pour vaporiser les océans depuis la formation de la Terre. Donc, la Terre aurait été "habitable" depuis la solidification de l'océan de magma il y a ~4,4 milliards d'années.

Voir ici : The dangerous life of a habitable planet (à ~15 minutes dans la conférence)

La version papier de cette nouvelle vue du Late Heavy Bombardment est ici :

The sawtooth-like timeline of the first billion year of lunar bombardment (Morbidelli et al., 2012)

D'ailleurs, la part de l'eau en surface devrait continuer à baisser (Bounama et al., 2001).

J'ai bon ?

A une echelle geologique, l'ensemble de l'eau des oceans et de la biosphere est egalement recyclee entierement dans la croute, un cycle complet prend moins de 10 millions d'annees, donc il est difficile de clairement separe les deux (croute & oceans) a une echelle globale.

J'ai essayé de retrouver un papier qui estimait effectivement ~7 millions d'années (tout en disant que c'était une mauvaise nouvelle pour l'idée de la soupe prébiotique). Impossible de le retrouver en ce moment.

Cordialement.

[Geb]

J'ai essayé de retrouver un papier qui estimait effectivement ~7 millions d'années (tout en disant que c'était une mauvaise nouvelle pour l'idée de la soupe prébiotique).

D'autant qu'en prenant au sérieux ce genre d'article :

Faster spreading or greater ridge length in the Archean? (Hargraves, 1986)

On a tendance à penser que c'était pire à l'Archéen/Hadéen (plein de très petites plaques).

Cordialement.

[Tawahi-Kiwi]

Si je comprends bien l'article de Morbidelli, il n'y aurait pas eu de "late veneer", mais plutôt un dégazage, particulièrement lors de l'impact avec la Lune. Ensuite, l'océan (encore à plusieurs centaines de °C) a plu littéralement sur Terre en quelques milliers d'années maximum (Nisbet & Sleep, 2001). À cette époque il y aurait pu y avoir plusieurs fois la quantité d'eau dans les océans actuels à la surface de la Terre. Puis, depuis 4,4 milliards d'années, et avec les impacts météoritiques du Late Heavy Bombardment ainsi qu'un retour de l'eau au manteau terrestre (qui en constitue le plus grand réservoir aujourd'hui), le niveau des océans aurait baissé de plusieurs kilomètres.

La reference a un papier de 1998 pour la teneur en eau du manteau est en fait assez ancienne et pas basee sur une etude directe du manteau, donc pas a prendre comme la verite absolue.
Le probleme est en fait plus complique que prevu pour savoir qu'elle quantite d'eau est presente dans le manteau et il reste de grande marges d'erreur sur la teneur reele du manteau en eau.

Du cote experimental, les 5-10 dernieres annees ont montre que l'on peut inserer jusqu'a 200ppm d'eau dans l'olivine, 1000ppm dans les pyroxenes et plus dans certaines phases de haute pression comme la wadsleyite et la ringwoodite. Je suppose (je ne connais pas de papier sur le sujet) que la structure perovskite, qui forme 80% du manteau peut aussi contenir sont lot de flotte.

Le probleme en comparant directement avec des meteorites, c'est que ces meteorites sont principalement des assemblages basses pressions, donc l'eau qui peut etre contenue dans les mineraux peut varier pas mal.

Maintenant base sur ces donnees experimentales, ce n'est pas parce que toute cette eau peut etre inseree dans le manteau qu'elle y est. L'etude d'echantillon naturel (donc du manteau le plus superieur, les 200km sous la croute) sont clairement sous-satures. Le manteau superieur est appauvri en eau a l'exception du manteau qui a vu des zones de subductions.
Le manteau inferieur, primitif, et forme de phase a structure perovskite, est globalement inconnu. Peut etre (sans doute) est-ce similaire a certaines meteorites, peut etre pas.

La seule chose que l'on sait, c'est que l'eau contenue dans le manteau (classiquement considere comme anhydre), n'est pas negligeable vis-a-vis de la masse des oceans.

À noter que la vision du Late Heavy Bombardment a beacoup évolué grâce au modèle de Morbidelli et al. Aujourd'hui, on estime que le taux d'impact météoritique n'a jamais été assez intense pour vaporiser les océans depuis la formation de la Terre. Donc, la Terre aurait été "habitable" depuis la solidification de l'océan de magma il y a ~4,4 milliards d'années.

Je ne pense pas que cela aie jamais ete vraiment une vision credible, au moins depuis que l'on sait que l'Hadeen n'est pas si "infernal" que l'image que l'on s'en faisait dans les annees 70 et 80.
Les zircons de Jack Hills par exemple, montrent clairement que la proto-croute n'est pas si chaude que cela, et une cristallisation a partir d'un granite hydrate semble probable, rendant egalement la presence d'ocean tres probable. Donc, apres la formation de la Lune et que les choses se soient calmees un peu, la Terre devait en effet etre assez "habitable".

D'ailleurs, la part de l'eau en surface devrait continuer à baisser (Bounama et al., 2001).

Theoriquement oui, en pratique, je ne pense pas que cela aie jamais ete montrer. Pourtant le regime tectonique est stable depuis ~2-3 milliards d'annees maintenant.

T-K

[Je vais bouger toute cette partie de la discussion ailleurs, parce que cela n'a plus grand chose a voir avec le sujet initial]

[Geb]

[Je vais bouger toute cette partie de la discussion ailleurs, parce que cela n'a plus grand chose a voir avec le sujet initial]

Effectivement et je m'en excuse. Peut-être sur le forum géologie ? Je te fais confiance pour le titre. Je dirais un truc du genre: "Relations manteau-litho-hydro-bio-atmosphère au début".

Cordialement.

[Tawahi-Kiwi]

On a tendance à penser que c'était pire à l'Archéen/Hadéen (plein de très petites plaques).

Pas mal de choses sont differentes a l'Archeen; la tectonique des micro-plaques a du en effet avoir des effets assez dynamiques sur la partie superieure du manteau, mais des choses comme la subduction classique n'ont pas l'air d'avoir lieu et les TTG domes/greenstones belt style Pilbara (voir Van Kronendonk et al, 2004, Rey et al 2003; Hickmann 200X) sont des choses qui n'ont pas d'equivalent actuels. Le cycle global de l'eau devait sans doute etre assez different dans un tel environnement.

T-K

[JPL]

Fondamentalement, une grosse partie de l'eau et de l'oxygene proviennent du manteau primordial .

Tes précisions sont bienvenues et complémentaires. Toutefois ma remarque était une réponse à la question de savoir si l'apparition de l'oxygène atmosphérique pouvait avoir causé une déplétion de l'oxygène de la croute, ce que j'ai interprété (abusivement ?) comme une question concernant les matériaux solides de la croute. Donc dans mon esprit je parlais d'une situation où les océans étaient déjà présents en faisant abstraction de l'eau présente dans la croute et le manteau, et plus ou moins recyclée par la tectonique.

[Tawahi-Kiwi]

Toutefois ma remarque était une réponse à la question de savoir si l'apparition de l'oxygène atmosphérique pouvait avoir causé une déplétion de l'oxygène de la croute, ce que j'ai interprété (abusivement ?) comme une question concernant les matériaux solides de la croute.

En fait ton premier message est tout a fait correct si on considere l'eau comme presente a la base. La croute (continentale superieure) fini plus oxydée grace a la grande oxydation, aussi grace au magmatisme de subduction (=> fusion de sediments oxydés) qui tend a produire des granites plus oxydés qui forment ultimement la croute continentale. La composante réduite dans cette equation redox globale est sans doute distribuée dans le manteau lithospherique (la ou ont trouve notamment le diamant => carbone reduit)) peut etre egalement une perte progressive d'hydrogene atmospherique ?

T-K

[Geb]

Salut à tous,

Je viens de faire un petit tour de la littérature scientifique pour essayer de voir ce qu'on pensait du taux d'oxygène dans l'atmosphère terrestre primitive et j'ai trouvé quelques infos dans l'introduction d'un papier de Kasting et al. (1979).

Oxygen levels in the prebiological atmosphere

Introduction

It is by now well recognized that the large amount of oxygen present in the earth's atmosphere today is the result of biological activity. This paper addresses the question of how much oxygen would have been present in the absence of any biological source. Since oxygen is not outgassed from volcanoes [Holland, 1962], the only obvious prebiological net source for O₂ is the photodissociation of water vapor, followed by escape of hydrogen to space.

Earlier attempts to solve this problem began with a series of papers by Berkner and Marshall [1964, 1965, 1966]. They assumed that H₂O was confined to the lowest regions of the atmosphere and then calculated how much oxygen it would take to shield this water vapor effectively from photodissociation, thereby arriving at an estimate of 10^-3-10^-4 times the present atmospheric level (PAL). Brinkman [1969] followed with a paper which included a loss term due to oxidation of the earth's crust. By estimating the total amount of oxygen contained in crustal Fe₂O₃ and assuming that all Fe₂O₃ derived from oxidation of FeO, he arrived at an upper limit of 0,27 PAL. Both of these studies were performed before the factors controlling the escape of hydrogen were fully understood. Recently, Walker [1977] performed height-integrated calculations in which hydrogen escape is modeled correctly. In addition, he also takes into consideration the loss term due to oxidation of reduced volcanic gases, particularly H₂. This leads to very low values for the O₂ mixing ratio, of the order of 10^-12 PAL. The present study confirms Walker's prediction of low ground level O₂ concentrations but also shows that a strong altitude dependence is involved. Hence these results are more quantitative than the estimates derived by Walker.

D'abord, Berkner et Marshall estiment à partir de 1964, un niveau de 10^-4 à 10^-3 fois le niveau atmosphérique actuel. Ensuite, Brinkman pose en 1969 une limite haute à 0,27 fois le niveau atmosphérique actuel. Le papier précise que ces deux études ont été réalisées à une époque à laquelle les facteurs contrôlant la fuite de l'hydrogène dans l'espace n'étaient pas encore totalement compris. On cite finalement un papier de Walker (1977), qui estime qu'à la surface, le taux d'oxygène dans l'atmosphère n'était que de 10^-12 fois le niveau atmosphérique actuel.

J'ai ensuite trouvé un autre papier de Canuto et al. (1982) :

UV radiation from the young Sun and oxygen and ozone levels in the prebiological palaeoatmosphere

Le résumé de l'article :

UV measurements of young T-Tauri stars, resembling the Sun at an age of a few million years, have recently been made with the International Ultraviolet Explorer. They indicate that young stars emit up to 10⁴ times more UV than the present Sun. The implications for the origin and evolution of O₂ and O₃ in the prebiological palaeoatmosphere are presented here. The results of photochemical calculations indicate that the O₂ surface mixing ratio was a factor 10⁴–10⁶ times greater than the standard value of 10⁻¹⁵. This new value reconciles the simultaneous existence of oxidized iron and reduced uranium.

D'après ce papier, en tenant compte du freinage magnétique (un phénomène découvert en 1972) qui implique que les étoiles jeunes tournent plus vite, il faut augmenter d'un facteur 10⁴ le flux de rayonnement UV solaire atteignant la Terre lorsque le Soleil n'avait que quelques millions d'années. Dans ce cas, le niveau d'O₂ à la surface passe de 10^-15 fois le niveau actuel à entre 10^-11 et 10^-9 fois ce niveau.

Finalement, j'ai trouvé un papier de Haqq-Misra et al. (2011) :

Availability of O2 and H2O2 on Pre-Photosynthetic Earth

Old arguments that free O2 must have been available at Earth's surface prior to the origin of photosynthesis have been revived by a new study that shows that aerobic respiration can occur at dissolved oxygen concentrations much lower than had previously been thought, perhaps as low as 0.05 nM, which corresponds to a partial pressure for O₂ of about 4 × 10⁻⁸ bar. We used numerical models to study whether such O₂ concentrations might have been provided by atmospheric photochemistry. Results show that disproportionation of H₂O₂ near the surface might have yielded enough O₂ to satisfy this constraint. Alternatively, poleward transport of O₂ from the equatorial stratosphere into the polar night region, followed by downward transport in the polar vortex, may have brought O₂ directly to the surface. Thus, our calculations indicate that this “early respiration” hypothesis might be physically reasonable.

Les auteurs suggèrent donc que le niveau d'oxygène aurait été supérieur à 4 × 10⁻⁸ bar, soit ~2 × 10^-7 fois le niveau actuel.

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

Je reviens sur ce fil parce que je m'intéresse aux phénomènes qui aurait pu permettre la conservation de l'eau sur Terre après l'impact qui a formé la Lune.

J'essaye de déterminer quand on a découvert pour la première fois que la roche en fusion pouvait contenir une plus grande quantité d'eau que la même roche cristallisée, et aussi qui étai(en)t l'auteur (ou les auteurs) de cette découverte. J'ai fait ma petite enquête et j'ai trouvé ce passage dans une publication de 1925 :

Arthur L. Day (December 1925). Some causes of volcanic activity, Bulletin volcanologique, Volume 2, Issue 2, pages 216-233.

Here therefore is direct confirmation, ie, as direct as the inaccessible character of the subject is ever likely to permit, of the conclusion that the water content of magma before crystallization is greater than the water content of the rock which forms it.

Alors, qui dit mieux que 1925 ?

Cordialement.

[noir_ecaille]

Et du côté de Haroun Tazieff ?

il a développé la recherche sur le rôle des gaz dans les dynamismes éruptifs, sur la présence d'eau dans les magmas, sur le volcanisme sous-marin, sur les techniques de mesure des variations de champ magnétique en liaison avec l'activité éruptive, sur l'observation directe de la dérive des continents, sur les échanges de masses et d'énergie entre les appareils volcaniques et l'atmosphère.

Bon par contre je n'ai pas épluché ses quarante années d'expéditions et sa bibliographie ^^;

[Geb]

Salut,

Et du côté de Haroun Tazieff ?

C'est la première personne à laquelle j'avais pensé évidemment, mais il a obtenu son diplôme de géologue en 1944 et le papier que j'ai cité ci-dessus est antérieur, donc j'ai abandonné cette piste étant donné que ce sont les premières études sur le sujet qui m'intéressent.

En gros, j'ai la solution, autrement dit, qu'après l'impact avec la Lune, les roches en fusion à la surface de la Terre (et selon certaines études l'océan de magma était profond de plusieurs centaines de kilomètres) ont agit comme une éponge et c'est lors de la cristallisation de ces roches que l'eau a été "relâchée".

Je trouve juste intéressant de voir l'historique de ces études.

Cordialement.

[Tawahi-Kiwi]

J'essaye de déterminer quand on a découvert pour la première fois que la roche en fusion pouvait contenir une plus grande quantité d'eau que la même roche cristallisée, et aussi qui étai(en)t l'auteur (ou les auteurs) de cette découverte. J'ai fait ma petite enquête et j'ai trouvé ce passage dans une publication de 1925

La question est claire, mais tellement generale qu'il est difficile de repondre clairement. De maniere generale, un systeme sature en eau aura un tel comportement, que ce soit de la roche en fusion ou pas. Dans le cas de la volcano, le systeme est fortement altere vu que le degazage est important, entrainant sursaturation du magma et ce qui cristallise au final n'est plus le magma initial composee d'une phase; c'est un systeme biphase compose d'un liquide silicate et de volatils en phase gazeuse. A 1-2 kbar de pression, un systeme sous-sature ne perd pas trop de gaz, en cristallisant des mineraux hydrates (a nouveau, cela fonction de la composition du magma, et ca devient un peu trop detaille pour ce forum).
Pour les systemes sous-sature en eau, cela se poursuit jusque <~40kbar ou l'on atteint le point critique du systeme roche + H₂O et la question devient a nouveau triviale.

1925 est probablement proche du vrai, Norman Bowen a mis cela en evidence peut etre des 1912 mais il ne l'a sans doute pas exprime si clairement que la citation de Day ci-dessus, ayant d'autres variables entrant en compte egalement.

T-K

[Geb]

Je savais que T-K pouvait m'aider d'une manière ou d'une autre.

Norman Bowen a mis cela en evidence peut etre des 1912 mais il ne l'a sans doute pas exprime si clairement que la citation de Day ci-dessus, ayant d'autres variables entrant en compte egalement.

Très intéressant ! Tu n'avais pas besoin d'être plus explicite. Donc, Norman Levi Bowen (1887-1956), un célèbre géologue canadien, a commencé ses études sur ce qu'on appelle communément la série de réactions de Bowen à partir de 1912, lorsqu'il travaillait à la Carnegie Institution de Washington.

Comme d'habitude, me voilà immergé dans des notions complètement nouvelles grâce à toi. Pour l'instant je n'y comprends pas grand-chose, ni même le rapport avec la quantité d'eau dans un magma donné, mais je vais creuser de ce côté-là.

Merci.

[Geb]

Bonjour,

Je reviens sur cette discussion à la suite de la lecture d'un article de Laurent Sacco pour Futura-Sciences daté du 2 novembre 2009 :

L'eau des océans serait venue de l'espace

Tout d'abord, à ma connaissance les arguments présentés dans l'article en faveur d'une "origine extraterrestre" sont discutés depuis 1995 (Owen & Bar-Nun, 1995a; Owen & Bar-Nun, 1995b).

Donc, contrairement à ce que semble suggérer l'article, l'hypothèse du dégazage, proposée en 1924 (Aston, 1924; Jeffreys, 1924) est remise en cause depuis un petit temps déjà. En outre, je ne vois pas trop en quoi le modèle défendu est différent du modèle de Morbidelli et al. (2000), qui à ma connaissance est devenue l'hypothèse favorite depuis maintenant une dizaine d'années. Mais comme je n'ai pas accès au petit article (Albarède, 2009) qui a fait l'objet de l'actualité de Futura, je n'ose pas trop m'avancer sur ce point.

Par contre, ce n'est pas la première fois qu'Albarède défend cette hypothèse, et d'autres articles disponibles sur le net (Albarède & Blichert-Toft, 2007) m'incitent à penser que là où on donne l'impression qu'Albarède jette un pavé dans la mare de l'hypothèse du dégazage, il semble plutôt enfoncer des portes ouvertes. Alors quid ?

Là où Albarède est, je dirais, original, c'est dans l'emphase qu'il met sur un argument qu'il apprécie manifestement : celui du rapport K/U. Dans sa publication de 2007 citée ci-dessus on peut lire (aux pages 920 à 921) :

4. The rocky planets accreted dry

The standard theory of the Earth holds that the ocean and the atmosphere formed at an early stage by degassing of the mantle. Let us show, however, why this assertion is most certainly incorrect by using a simple comparison between two elements with well-understood properties, K and U. Potassium is an alkali element and, like all alkali elements (Li, Na, K, Rb, Cs), is highly volatile. In particular, it is found in measurable quantities in the vapour emitted by lava lakes. Lodders [34] assigns K a 50% condensation temperature in the Solar System of 1001 K. In a milestone paper, Gast [24] demonstrated that the loss of most of potassium’s close relative Rb during accretion of the Earth could be seen in the very low terrestrial abundance of the ⁸⁷Sr isotope, which is the decay product of the radioactive ⁸⁷Rb nuclide. In contrast, U is very refractory and Lodders [34] assigns this element a condensation temperature of 1610 K. These contrasting properties between K and U can be seen in the K/U ratio of each planet: with respect to a K/U ratio of 60,000 in unprocessed chondrites, whether carbonaceous or ordinary [40], and the solar photosphere, this ratio is 10,000 in the Earth, 6000 in Mars, and 3000 in the Moon [54]. In other words, assuming that U was left untouched by accretion, the Earth kept only 10,000/60,000 = 17% of its K, Mars 10%, and the Moon 5%, which indicates that the concentration of volatile elements was not constant in planetary materials across the inner Solar System. This begs the question of how much gas and water can be expected to have been preserved in a body that lost such a huge proportion of an element volatile at 1000 K? The answer is: essentially none!

Encore une fois, lorsque Albarède écrit que l'hypothèse du dégazage est la "théorie standard", je suis vraiment perplexe, à la limite amusé...

Alors, pour me faire une idée de la popularité ou de la notoriété de cet argument du rapport K/U parmi le reste de la communauté scientifique, je me suis d'abord intéressé à savoir depuis quand ces rapports K/U étaient connus pour les corps parents qu'il cite (les chondrites, la photosphère solaire, la Terre, Mars et la Lune).

Je trouve trace d'un rapport K/U de 10000 pour la Terre dès 1964 dans la littérature scientifique (Wasserburg et al., 1964), mais j'imagine que ce rapport était connu bien avant ça. Cela dit, Albarède a été un des premiers à attirer l'attention sur la difficulté de déterminer ce rapport, du moins en ce qui concerne la Terre (Albarède, 1998). Je laisse à d'éventuels spécialistes le soin de nuancer ou appuyer ces incertitudes.

Le rapport K/U de 60000 dans les météorites a été proposé dès 1968 (Cameron, 1968, pp. 125-143). Cela dit, il me semble que ce rapport a fluctué par après, puisqu'on assigne aussi bien les valeurs 70000 et 80000 à ce rapport dans certaines publications des années 1970 et 1980.

Un rapport K/U de 2800 a été déterminé dès 1970 pour la Lune (Lunar Sample Preliminary Examination Team, 1969; O'Kelley, 1970), grâce aux échantillons de roche lunaire issus de la mission Apollo 11.

L'analyse des données issues des mesures par spectrométrie gamma de la sonde soviétique Mars 5 avait permis de proposer en juin 1974 (publié en 1977 aux États-Unis) un rapport K/U de ~2200 pour la surface de Mars (Surkov, 1977). Dans une publication ultérieur, le même auteur aurait revu ses estimations à la hausse, avec une valeur de 6700 (Surkov, 1981).

Cordialement.