Boule de lave ou pas ?

[noir_ecaille]

Bonjour


Pour bien poser l'interrogation filée... J'imgine bien toute la croûte terrestre se faire retourner par un crust stunami au moment de l'impact avec Théia. Certainement qu'il deviat rester très peu de croûte solide après un tel évènement... et encore je pense qu'il a pu en rester quelques morceaux. Mais je m'interroge plutôt sur la surface avant Théia : pourquoi un océan de lave ? et surtout quel(le)s preuves ou indices soutiennent (ou pas) ce modèle ?

J'imagine plus facilement un planétoïde qui grandit par accrétion mais sans nécéssairement que sa chaleur propre face fondre sa surface. C'est d'autant plus vrai quand c'est un corps de taille modeste mais à supposer un corps très gros, si ça continue de lui tomber dessus en pluie fine, ça me semble illogique qu'un beau jour PAF tout fonde et se transforme en une boule liquide géante. En particulier une fois une taille suffisante pour atteindre l'équilibre hydrostatique, il fait certes chaud sous la surface mais le manteau est trop comprimé pour n'être autre chose que solide. A la rigueur il y a une zone liquide : l'asthénosphère, à la fois suffisament chaude et pas trop comprimée pour avoir du magma, qui remonte à l'occasion en surface. Et de tels corps, même frappés par un grand bombardement tardif, ne devraient toujours pas voir leur croûte se liquéfier "intégralement".

Nos planètes rocheuses ont-elles tout vraiment connu un stade "boule de lave" ou ce stade ne peut-il être que conséquent à un puissant comme Théia avec notre Terre ?


En vous remerciant d'avance pour vos aimables éclaircissements
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[Tawahi-Kiwi]

Salut,

L'ocean magmatique n'est qu'un phenomene passager qui ne subsiste pas bien longtemps (a l'echelle geologique). Si aucun apport d'energie (sous forme de chaleur) n'est fait et que les conditions sont telles que le point de solidification de la roche est atteint, l'ocean se cristallisera par le haut (la croute) et par le bas.

Pour la Terre, la chaleur initiale qui a permit la formation du premier ocean magmatique s'obtient au travers des impacts (un impacteur d'un km actuellement par exemple, creerait un lac de lave de 20m de profondeur dans son cratere, le reste (50% environ) sera ejecte hors du cratere)) mais aussi la radioactivite. Les isotopes de demi-vie relativement courte (quelques millions d'annees) mais tres abondants comme l'aluminium-26 ou le fer-60 peuvent produire suffisamment de chaleur pendant une periode pour permettre la fusion chondritique, meme a des pressions elevees.

Tout cela se passe environ quelques dizaines de millions d'annees avant l'arrivee de Theia. Il est possible que l'ocean magmatique initial etait en grande partie solidifie lors de l'impact, mais tellement proche de son solidus qu'il ne fallait pas grand chose pour tout faire refondre.

Lors de l'impact avec Theia, tout a refondu a nouveau sur plusieurs centaines de kilometres. Hormis pour des raisons geochimiques (qui necessite que la Terre soit deja au moins en partie differenciee), un impact de cette magnitude n'est pas bien different que la surface de la Terre soit liquide ou solide.

Les preuves de l'ocean magmatique pre-impact sont essentiellement issues de la modelisation (geophysique et geochimique) pour que tout colle avec ce que l'on observe (appauvrissement du manteau superieur; formation du noyau; composition de la Lune; bilan energetique de la jeune Terre, etc.). Malheureusement sur la Terre, rien n'est preserve de ces epoques lointaines car la tectonique des plaques a eu le temps de recycler tout cela. Mais on trouve des preuves clalies d'ocean magmatique sur la Lune, sans doute sur Mars et Mercure; et pour Venus, il n'est pas impossible qu'un ocean magmatique existe toujours sous la surface.

Adiabat2.jpg
Une figure (ou plutot un serie de screenshot de l'animation que je montrais pour illustrer le sujet) de la formation de l'ocean magmatique.
La ligne blanche en pointille est le solidus actuel de la Terre (avec manteau & noyau).
Les courbes qui se succede de haut en bas sont le geotherme terrestre. A un certain point, le geotherme (ligne rouge, image du milieu) depasse le solidus chondritique (beaucoup plus bas que le solidus mantellique classique), ce qui permet la fusion partielle et la separation entre manteau et noyau. C'est en partie le resultat de l'accretion et la radioactivite.
Cet effet est ensuite accentue par la formation du noyau qui produit egalement de la chaleur en coulant au centre de la Terre (une sorte d'accretion interne).
La derniere courbe (jaune) est la situation actuelle manteau-noyau

T-K

[Tawahi-Kiwi]

Oups, y'a un souci dans l'ordre des screenshot, celle-ci est dans le bon ordre.

[noir_ecaille]

Merci T-K

J'ai quand même du mal avec cette histoire de "force" (ou énergie) des impacteurs. Non qu'un gros impacteur serait aussi inoffensif que des perséides (cependant ils sont bien moins nomreux que lesdites perséides aussi), mais plutôt parce qu'il m'apparaît étrange qu'un agrégat de matière en accrétion ne rayonne pas dans le vide pour perdre cette chaleur -- surtout quand la masse est largement en-dessous de l'équilibre hydrostatique. Cela dit, en comptant les radio-isotopes de courte durée de vie, l'océan magmatique redevient plausible -- il suffit de voir les tragiques incidents nucléaires avec fusion du réacteur qui ont marqué l'histoire...

Reste qu'avant Théia, la Terre était forcément plus petite, donc qu'elle a pu/dû refroidir plus vite aussi. J'imagine bien des lacs ou mers de lave occasionnels (un peu comme la surface lunaire) mais j'encore du mal avec un océan vraiment global Même en ce qui concerne ses soeurs (Mars notamment, qui a peut-être la taille de la "Terre pré-Théia" ?). Par exemple la Lune a beaucoup de traces de mers locales s'étant succédées. Où/comment faut-il scruter sa surface pour attester d'un océan primordial et (surtout) global ? J'imagine que ce serait éventuellement possible de trouver des indices forts sur la Lune du fait de l'absence tant de tectonique des plaques que d'atmosphère.

En ce qui concerne la différentiation du manteau, j'avoue ne pas en connaître suffisamment pour percevoir cette hypothèse "boule de lave". De ce que j'en perçois, tout semble "liquide" à des échelles suffisamment grandes (surtout astronomiques), donc on finit par avoir une forme à l'équilire hydrostatique (alors même qu'on parle de planètes tellurique) et les éléments les plus lourds coulent naturellement vers le centre de masse. Comment en arrive-t-on à l'hypothèse/modèle qu'il faille "en plus" un océan magmatique global ?

PS : Par contre j'ai du mal à interpréter à quoi correspond chaque courbe (un évènement particulier ?)

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tawahi-Kiwi]

J'ai quand même du mal avec cette histoire de "force" (ou énergie) des impacteurs.

Le truc important a retenir pour les impacteurs, c'est que c'est essentiellement l'energie cinetique qui compte. En l'absence d'atmosphere, et pour tout les objets de quelques metres, c'est le facteur essentiel.

mais plutôt parce qu'il m'apparaît étrange qu'un agrégat de matière en accrétion ne rayonne pas dans le vide pour perdre cette chaleur -- surtout quand la masse est largement en-dessous de l'équilibre hydrostatique.

Le reffroidissement par rayonnement (le seul possible avec l'espace) n'est quand meme pas tres efficace pour refroidir de la roche en fusion. C'est difficile de se mettre des ordres de grandeurs en tete, mais a la grande epoque de Kelvin, il estimait que sur base d'un reffroidissement d'une Terre initiale liquide a 4000ºC que la Terre etait agee de 24 a 400 millions d'annees (c'est sans prendre en compte quelques variables essentielles de la geologie et de la physique inconnues a l'epoque).
Je ne suis pas certain de ce que l'equilibre hydrostatique a avoir la dedans?

Reste qu'avant Théia, la Terre était forcément plus petite, donc qu'elle a pu/dû refroidir plus vite aussi. J'imagine bien des lacs ou mers de lave occasionnels (un peu comme la surface lunaire) mais j'encore du mal avec un océan vraiment global Même en ce qui concerne ses soeurs (Mars notamment, qui a peut-être la taille de la "Terre pré-Théia" ?).

Theia est modelisee comme ayant la taille de Mars (pour faire simple, c'est 1/10 de la masse terrestre). La Lune a grosso modo 1/100 de la masse terrestre et l'equation proto-Terre + Theia = Terre + Lune (a quelques chouia pret), donc la Terre avait deja quasi 90% de sa masse lors de la formation de la Lune.

Par exemple la Lune a beaucoup de traces de mers locales s'étant succédées. Où/comment faut-il scruter sa surface pour attester d'un océan primordial et (surtout) global ? J'imagine que ce serait éventuellement possible de trouver des indices forts sur la Lune du fait de l'absence tant de tectonique des plaques que d'atmosphère.

C'est plus facile sur la Lune en l'absence de tectonique importante. Les mers sont beaucoup plus tardives et sont des coulees de laves plutot que des lacs ou mers magmatiques. Certains remplissage de cratere le sont mais c'est local.
Les traces de l'ocean magmatique lunaire (global) se trouvent dans les roches les plus anciennes de la Lune, les highlands et quelques roches plus rares qui proviennent des profondeurs de la croute lunaire

En simplifie, on trouve les differentes roches:
Anorthosite = plagioclase, mineral peu dense qui flotte dans l'ocean magmatique.
Norite: une sorte de gabbro, cristallisation finale
Dunite = olivine, mineral plus dense que le magma
Pyroxenite = pyroxene, mineral plus dense que le magma.

Quand l'ocean magmatique cristallise, olivines et pyroxenes coulent au fond de l'ocean alors que le plagioclase flotte a la surface. Pour expliquer l'abondance de montagnes de plagioclases (highlands anorthositiques) a la surface de la Lune (de maniere globale), c'est la meilleure explication. Les norites KREEP (KREEP pour potassium-terres rares-phosphore) sont le dernier residu non cristallise de l'ocean magmatique, enriche dans ces elements K-REE-P qui n'ont pas pu cristalliser avec les mineraux precedents.

Il y a quelques annees, j'avais publie un article sur le sujet vu que ces principes de cristallisation fractionee sont les memes pour un ocean magmatique ou pour une chambre magmatique de taille plus reduite.
https://forums.futura-sciences.com/g...n-de-lune.html

un p'tit schema qui illustre le cas lunaire:

Source: Planetary Science Research

En ce qui concerne la différentiation du manteau, j'avoue ne pas en connaître suffisamment pour percevoir cette hypothèse "boule de lave". De ce que j'en perçois, tout semble "liquide" à des échelles suffisamment grandes (surtout astronomiques), donc on finit par avoir une forme à l'équilire hydrostatique (alors même qu'on parle de planètes tellurique) et les éléments les plus lourds coulent naturellement vers le centre de masse. Comment en arrive-t-on à l'hypothèse/modèle qu'il faille "en plus" un océan magmatique global ?

La differentiation des elements plus lourds vers le centre de masse doit prendre en compte la loi de Stokes (pour des viscosites tres tres elevees dans le cas d'une roche solide). Lorsque la convection (comme dans le manteau terrestre actuel) a lieu, il n'est pas possible pour des cristaux de taille raisonnable de se deplacer vers le centre de masse.
Dans le cas de la Terre (et au final toutes les planetes telluriques), il est necessaire de passer par une phase liquide (au moins partiellement) qui permet a la phase metallique (fer-nickel) de au mieux, fondre, mais au moins etre dans un environnement qui lui permet de s'agglomerer en masse et etre susceptible de couler de leur propre poids dans le manteau primitif. Si le taux de fusion partielle n'est pas assez important, ces masses seront emportees au gre des courants magmatiques ou de convection solide.
C'est un des indices physiques renforcant l'hypothese d'ocean magmatique global.

Quand on entre dans la geochimie, il y a des contraintes de ce type qui apparaissent egalement (la tres grande rarete des platinoides a la surface de la Terre et dans le manteau par exemple; le fait que le manteau superieur est tres pauvre (plus pauvre que le manteau inferieur) en elements incompatibles (un cas similaire aux norites KREEP de la Lune, tout ce que les phases cristallisant dans l'ocean magmatique n'ont pas voulu a fini dans les dernieres poches de liquides qui se trouvent etre dans la croute actuelle)., etc.

PS : Par contre j'ai du mal à interpréter à quoi correspond chaque courbe (un évènement particulier ?)

Pas des evenements particuliers, juste une evolution:
- diagramme #2, courbe brune: la Terre juste avant la formation de l'ocean magmatique global (cas theorique)
- diagramme #3, courbe rouge fonce: Le premier millier de km de la surface de la Terre est en fusion
- diagramme #4, courbe rouge: La phase metallique se separent de l'ocean magmatique et coule vers le centre (saut de temperature A ~4000km)
- diagramme #5, courbe jaune: l'ocean magmatique vient de finir sa cristallisation, le noyau est forme avec un tres gros noyau externe (liquide) de -2900 a -5500 km.

T-K

[noir_ecaille]

Je ne suis pas certain de ce que l'equilibre hydrostatique a avoir la dedans?

Pour l'équilibre hydrostatique, c'est question de rapport surface/volume : plus c'est sphérique, plus ce rapport sera faible -- et donc plus la surface pour rayonner sera faible aussi.

Le truc important a retenir pour les impacteurs, c'est que c'est essentiellement l'energie cinetique qui compte. En l'absence d'atmosphere, et pour tout les objets de quelques metres, c'est le facteur essentiel.

J'entends mais de là à liquéfier entièrement la surface d'un astre mettons de la taille de la Lune ? Même si des impacts se succèdent, on voit bien à la surface lunaire que les cratères se recouvrent les in les autres, même quand de redoutables impacteurs ont effectivement liquéfié la surface pour des régions/époques cependant distinguables les un(e)s des autres.

Le reffroidissement par rayonnement (le seul possible avec l'espace) n'est quand meme pas tres efficace pour refroidir de la roche en fusion. C'est difficile de se mettre des ordres de grandeurs en tete, mais a la grande epoque de Kelvin, il estimait que sur base d'un reffroidissement d'une Terre initiale liquide a 4000ºC que la Terre etait agee de 24 a 400 millions d'annees (c'est sans prendre en compte quelques variables essentielles de la geologie et de la physique inconnues a l'epoque).

C'était déjà une belle démonstration à une époque où l'âge de la Terre était considérablement sous-estimé pour des raisons variées (pas uniquement religieuses, imaginer un début à notre planète de manière scientifique commençait à peine à faire sens, sans compter les tenants d'une Terre creuse etc).

Theia est modelisee comme ayant la taille de Mars (pour faire simple, c'est 1/10 de la masse terrestre). La Lune a grosso modo 1/100 de la masse terrestre et l'equation proto-Terre + Theia = Terre + Lune (a quelques chouia pret), donc la Terre avait deja quasi 90% de sa masse lors de la formation de la Lune.

Je ne savais pas Et avec une jolie publi peut-être ?
une publi ! une publi ! une publi !


Merci pour toutes ces explications j'adore


Encore une interrogation... Il existe deux types de croûte sur Terre : continentale et sous-marine. Elles ont des densité, composition et épaisseur différentes. C'est commode de parler de "plancher océanique" vu que c'est sous l'eau. Par contre pourquoi ces différences ? Ca vient aussi de l'océan magmatique global ou c'est encore tout autre chose ? Est-ce que les autres astres telluriques plus ou moins à l'équilibre hydrostatique (planètes, planètes naines, lunes...) présentent aussi différents types de croûte comme sur Terre ?

[Tawahi-Kiwi]

Pour l'équilibre hydrostatique, c'est question de rapport surface/volume : plus c'est sphérique, plus ce rapport sera faible -- et donc plus la surface pour rayonner sera faible aussi.

Oui en effet, mais pour des corps de taille planetaire, c'est quand meme vite atteint. Si Mercure est en equilibre hydrostatique alors qu'elle n'a que 5% de la masse de la Terre (pour un comportement rheologique grosso-modo identique), on peut supposer que la Terre s'est vite retrouvee dans de telles conditions.

J'entends mais de là à liquéfier entièrement la surface d'un astre mettons de la taille de la Lune ? Même si des impacts se succèdent, on voit bien à la surface lunaire que les cratères se recouvrent les in les autres, même quand de redoutables impacteurs ont effectivement liquéfié la surface pour des régions/époques cependant distinguables les un(e)s des autres.

La phase d'accretion est extrement violente. Il n'a fallu (sur base de mesures isotopiques et modeles d'accretion) que 10 a 40 millions d'annees pour avoir la majorite de la masse de la Terre. C'est un taux d'impact qui n'est pas comparable du tout avec meme le bombardement tardif (ces crateres (dont les mers) que l'on voit sur la Lune notamment).

Le bombardement tardif donne un taux d'impact 1000 a 10000x superieur au taux actuel; la phase d'accretion est au moins un taux 10000 a 100000x superieur au bombardement tardif (ou 100 millions de fois le taux actuel).... c'est beaucoup de caillasse qui tombe du ciel en meme temps....ca doit bien chauffer un peu
Source: Lowe & Byerli, 2018

C'était déjà une belle démonstration à une époque où l'âge de la Terre était considérablement sous-estimé pour des raisons variées (pas uniquement religieuses, imaginer un début à notre planète de manière scientifique commençait à peine à faire sens, sans compter les tenants d'une Terre creuse etc).

Tout a fait. Les geologues de l'epoque estimait deja que la Terre devait avoir au moins plusieurs centaines de millions d'annees, mais cette quantification simpliste de Kelvin a renforce leurs interpretations de terrain.

Je ne savais pas Et avec une jolie publi peut-être ?
une publi ! une publi ! une publi !

C'est le modele classiquement admis pour Theia. Un objet differencie de la taille de Mars en orbite terrestre aux points Lagrange 4 ou 5, qui est entre en collision relativement rasante et lente avec la proto-Terre. Ca marche pour la plupart des modelisations isotopiques. Certains autres systemes isotopiques et certains aspects chimiques de la Terre et de la Lune imposent (faute d'explication dans le modele classique) des modeles alternatifs d'une Theia issue du systeme solaire externe, d'une collision frontale plutot violente, de la presence de plus d'un impacteur, etc. mais c'est une minorite au final.

Encore une interrogation... Il existe deux types de croûte sur Terre : continentale et sous-marine. Elles ont des densité, composition et épaisseur différentes. C'est commode de parler de "plancher océanique" vu que c'est sous l'eau. Par contre pourquoi ces différences ? Ca vient aussi de l'océan magmatique global ou c'est encore tout autre chose ? Est-ce que les autres astres telluriques plus ou moins à l'équilibre hydrostatique (planètes, planètes naines, lunes...) présentent aussi différents types de croûte comme sur Terre ?

C'est une propriete unique a la Terre, et cela tient du fait que la Terre la seule planete du systeme solaire a presenter une tectonique des plaques. Les autres planetes ont differents type de croute, mais pas cette distribution clairement bimodale que la Terre possede.


En l'absence de tectonique des plaques (et faute d'avoir un autre processus tectonique qui pourrait creer un resultat similaire), les marges actives de la croute planetaire ne peuvent pas s'enrichir en elements qui formeront la croute continentale (les arcs volcaniques sur Terre sont des futures morceaux de croute continentales). Les produits formes restent soit ou ils sont et se 'fossilise' car la planete n'est pas suffisamment active, soit ils sont completement recycles dans le manteau, si la planete est trop active.

Dans le cadre de cette discussion, l'idee est qu'a la fin de la cristallisation de l'ocean magmatique, c'est l'equivalent terrestre des norites-KREEP de la Lune qui ont fini en surface pour former une croute ±homogene globale. C'etait des gabbros/basaltes riches en elements que l'on ne trouve normalement pas dans ces roches actuellement.
Avec des debuts de tectonique des plaques (pas en tant que tel, mais les debuts de la subduction d'une plaque sous une autre, de collision, etc.), ce basalte enrichi a partiellement fondu. Ce qui n'a pas fondu est recycle dans le manteau; ce qui a fondu cree du volcanisme/magmatisme et produit une roche intermediaire (diorite/andesite) riche en ces elements qu'on ne trouve maintenant plus que dans la croute continentale.

Cette roche andesitique formee n'est pas fondamentalement differente de la composition de la croute continentale prise dans son ensemble.
Comme elle est moins dense que la croute basaltique primordiale (et bien evidemment le manteau), elle a peu de chance de couler (spontanement ou par subduction) et reste donc en surface ou elle s'accumule.
Au gre de la tectonique, ces morceaux de croute proto-continentale qui flottent a la surface se rencontrent, s'accretent et formeront les noyaux hadeens des futurs continents qui apparaitront a l'Archeen.
C'est un phenomene qui a toujours lieu a l'heure actuelle. Des arcs volcaniques se forment et accostent des continents, leurs permettant de croitre.

Un exemple parmi de nombreux autres: l'ouest Canadien et l'Alaska, qui consiste en une accretion d'arcs volcaniques forme dans l'ocean Pacifique (ou Paleo-Pacifique ou Panthalassa) sur le socle americain vieux de 2-3 milliards d'annees.

Source: Powerman et al., 2019

T-K

[noir_ecaille]

Merci pour ces explications

Ca m'amène à penser que nos gros astres telluriques, s'ils ne sont pas à proporement parler "comme la Terre" vu ses particularismes (tectonisme, etc) mais ont a priori tous probablement connu une phase "boule de lave", ont tout aussi probablement dagazé lors de la formation de leurs océans de lave. Non ? La Lune ou Mercure ont-elles pur connaître une (très) brève période atmosphérique (sans aller jusqu'à imaginer qu'il y ait assez d'atmosphère pour qu'il pleuvent) ? Vu que Pluton a une atmosphère, j'imagine cela possible mais Pluton a sans doute une histoire très différente aussi.

[Tawahi-Kiwi]

Ca m'amène à penser que nos gros astres telluriques, s'ils ne sont pas à proporement parler "comme la Terre" vu ses particularismes (tectonisme, etc) mais ont a priori tous probablement connu une phase "boule de lave", ont tout aussi probablement dagazé lors de la formation de leurs océans de lave. Non ? La Lune ou Mercure ont-elles pur connaître une (très) brève période atmosphérique (sans aller jusqu'à imaginer qu'il y ait assez d'atmosphère pour qu'il pleuvent) ?

La Terre est decrite comme ayant eu 3 atmospheres. La premiere est issue de l'accretion et contient H₂, H₂O, CH₄, NH₃; la seconde est issue du volcanisme et est formee essentiellement de CO₂, N₂, H₂O, H₂S, He, Ar; la troisieme est l'oxydation de cette deuxieme atmosphere suite aux processus biologiques et l'apparition de l'O₂.

Il ne me semble pas avoir de problemes a ce que les autres astres telluriques aient (suivant leur mode de formation) eu une premiere et seconde atmosphere. Eventuellement, la composition peut varier legerement suivant leur position dans le systeme solaire, et leur duree d'existence limitee par leurs positions et leurs masses.

T-K

[noir_ecaille]

Grand merci pour les précisions

C'est plus par rapport à l'image d'une Mercure dépourvue d'atmosphère qui flotte au premier plan. Ou même les lunes en orbite autour de nos planètes.

Du coup ça change un peu l'image de jeunesse de ces astres aujourd'hui à nu