Origine et évolution des atmosphères planétaires – Terre, Mars, Vénus / Origin and Evolution of planetary atmospheres – Earth, Mars, Venus

Séminaire organisé par Bernard Marty (chercheur au CRPG et professeur de géochimie à l’Ecole Supérieure Nationale de Géologie), et Christopher Ballentine (chef de département et professeur de géochimie à l’Université d’Oxford), du 17 au 22 juin 2019.

Résumé

L’origine des éléments volatils (eau, carbone, azote, halogènes, gaz nobles) dans les planètes telluriques -Terre, Vénus, Mars – est toujours sujette à discussion. Les modèles récents font appel à une origine exotique sur des embryons planétaires dont la croissance initiale s’est effectuée à partir de matériaux anhydres. Plusieurs possibilités existent, tels que des astéroïdes hydratés, ou des comètes. La chronologie de ces apports est également mal comprise. Ces problèmes revêtent toute leur importance car ces éléments ont permis de développer sur Terre, et peut être sur Mars, les environnements nécessaires au développement de la vie. Les cas de Venus et de la Lune sont également centraux dans cette démarche, car ils fournissent des informations indépendantes sur ces apports dans des conditions planétaires différentes (par exemple, taille, distance au Soleil et aux planètes géantes, diversité des champs magnétiques, activité tectonique). De plus des missions spatiales récentes et à venir permettent d’explorer les compositions des astéroïdes et des comètes, par retour d’échantillons ou analyse in situ (Hayabusa, Hayabusa2 et Osiris-Rex, Rosetta). Ce séminaire a permis de réunir dans des conditions exceptionnelles des post-doctorants/thésitifs et des spécialistes d’astrophysique, de cosmochimie, de géochimie, et de pétrologie expérimentale. Les discussions ont porté sur les contributions potentielles des astéroïdes et des comètes en éléments volatils, sur l’incorporation de ces éléments dans les solides lors d’épisodes d’océans magmatiques à diverses conditions de température et de pression, et sur le partage de ces éléments entre silicates et métal lors de la formation des noyaux planétaires. L’évolution de l’atmosphère terrestre au cours des temps géologiques, par échappement sélectif vers l’espace, par dégazage volcanique, et par subduction/recyclage dans le manteau a été également largement discutée. Ce séminaire a permis de faire le point sur les connaissances actuelles et de proposer de nouvelles pistes et scénarii.

Abstract 

The origin of volatile elements (water, carbon, nitrogen, halogens, noble gases) in terrestrial planets -Earth, Venus, Mars, Moon, is controversial. Recent models call for an exotic origin on planetary embryos which essentially grew up in dry conditions. Volatile elements were then contributed by a few volatile-rich bodies, such as hydrous asteroids or comets. The chronology of this delivery is ill-understood. This topic is particularly important because volatile elements were central in the development of life on Earth, and, possibly, on Mars. The cases of Venus and the Moon are equally important as they present a diversity of conditions that may allow insight into contributing cosmochemical reservoirs and differences in planertary conditions, e.g., size, distance to the Sun and to giant planets, variable magnetic fields, tectonic evolution. Furthermore, recent space mission allow us to document the compositions of asteroids and comets by either sample return, or in-situ analysis (e.g., Hayabusa, Rosetta, the forecoming Hayabusa 2 and Osiris-Rex missions). This seminar permited to gather early career scientists and specialists in cosmochemistry, astrophysics and experimental petrology). Discussions have been on contributions of asteroids and comets (limited in this case), the incoporation of volatiles into the solid Earth during magma ocean episodes at variable conditions of pressure and temperature, the partitioning of noble gases, carbon, nitrogen and noble gases between metal and silicate during planetary core formation. Discussions also focused on the evolution of the terrestrial atmosphere through geological time by selective atmospheric escape, mantle degassing and subduction/recycling. This seminar provided the opportunity to establish knowledge gaps and to explore new scenarios and avenues of research in this exciting field.

Communications

  • Conel Alexander (Carnegie Institution, Washington DC USA) – Origins of Water and other volatiles in meteorites, comets and terrestrial planets
  • Matthieu Almayrac (Univ. Lorraine, France) – New evidences for a discontinuous evolution of terrestrial atmospheric xenon
  • Guillaume Avice (Institut de Physique du Globe, Paris, France) – Atmospheric evolution and habitability
  • Christopher Ballentine (Université d’Oxford, GB) – Timing and retention of volatiles during terrestrial acretion
  • David Bekaert (Univ. Lorraine, France) – An intricate origin for extraterrestrial organic materials
  • Ali Bouhifd (Université de Clermont-Ferrand, France) – Experimental constraints on volatiles in the earth’s core
  • Michael Broadley (Univ. Lorraine, France) – The origin and degassing history of mantle noble gases
  • Mark Claire (University St Andrews, GB) – Multiple Sulfur and oxygen isotope constraints on the evolution of Earth’s atmosphere
  • Celia Dalou (CNRS, Univ. Lorraine, France) – Redox control on N isotope fractionation during planetary differentiation
  • Daniel Frost (University of Bayreuth, Allemagne) – The oxidation state of the earth’s mantle after core formation
  • Evelyn Füri (CNRS, Univ. Lorraine France) – Origin and evolution of terrestrial nitrogen
  • Hidenori Genda (Earth and Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology JPN) – Origin and evolution of Earth’s H,C, and N: Effects of impact-induced atmospheric erosion and element partitioning during accretion (Hidenori Genda, Harukara Sakuraba, Hiroyuki Kurokawa, and Kenji Ohta, Tokyo Institute of Technology)
  • Rosie Jones (Univ. Oxford GB) – Using a combined geodynamic – geochemical modeling approach to investigate the origin of volatile elements in the terrestrial mantle
  • Bernard Marty (Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, CNRS & Université de Lorraine F) – The evolution of terrestrial atmosphere and hydrosphere since the Archean
  • Rita Parai (Univ. Washington, St Louis USA) – Injection of atmospheric xenon into the deep Earth
  • Sandrine Peron (Univ. California Davis USA) – Recycling of atmospheric noble gases into the mantle
  • Laura Schaeffer (Univ. Standford USA) – Volatile driven redox reactions in magma oceans and atmospheric evolution
  • Christophe Sotin (Jet Propulsion Laboratory USA) – Measuring noble gases and their isotope ratios in Venus atmosphere
  • Jonathan Wade (Univ. Oxford GB) – The fate of Martian surface water

Compte-Rendu

Les éléments volatils, tels que le carbone, l’azote, l’oxygène et l’eau, constituent les briques élémentaires de la vie sur Terre. Leur distribution actuelle dans les différentes couches de la Terre (noyau, manteau, croûte, atmosphère) nous informe sur les processus géodynamiques qui ont affecté notre planète depuis sa formation, il y a environ 4,5 milliards d’années (Figure 1). Cependant, les conditions de formation de la Terre et les mécanismes ayant permis à celle-ci d’acquérir ses éléments volatils primordiaux restent encore mal compris. Mieux comprendre l’origine et l’évolution des éléments volatils sur Terre requiert donc (1) le développement d’expériences “haute pression, haute température” pour simuler les conditions de formation du noyau de la Terre, (2) l’analyse des gaz et/ou roches du manteau de la Terre, (3) l’étude de l’évolution de l’atmosphère, et de son habitabilité. Ces trois enjeux nécessitent la confrontation de contraintes issues d’études expérimentales, d’analyses d’échantillons naturels, et de modélisations numériques. Les gaz nobles (Hélium, Néon, Argon, Krypton, Xénon), éléments inertes et volatils aujourd’hui concentrés dans l’atmosphère, constituent des outils d’exception pour tracer l’origine et l’évolution des éléments volatils sur Terre.

Figure 1: Coupe schématique de la Terre illustrant les différents réservoirs et processus ayant contrôlé l’évolution des éléments volatils dans la Terre (Ballentine, Science 296, 1247, 2002).

Si la composition de l’atmosphère actuelle est bien connue, la composition et le budget d’éléments volatils à l’intérieur de la Terre sont débattus. Une controverse majeure qui anime notre communauté est la présence, ou non, de gaz “solaires” à l’intérieur de la Terre. Au moment où notre soleil finissait de se former, une partie du gaz constituait un disque qui englobait les planètes en formation. Avant que ce disque de gaz ne se soit dissipé, notre planète aurait pu atteindre une taille suffisante pour développer un océan magmatique global à sa surface, permettant ainsi la dissolution de gaz solaires dans le manteau profond. Déterminer si une telle signature est présente ou non dans la Terre a de grandes implications concernant l’époque et l’environnement astrophysique de formation de notre planète. Dans le même ordre d’idées, il est important de mieux connaître le comportement des éléments volatils lors de la formation du noyau terrestre, par l’analyse d’échantillons issus des profondeurs de la Terre, et par des expériences visant à reproduire les conditions de très hautes pressions et températures et de composition chimique.

Une complication actuelle dans la détermination des signatures primordiales de la Terre est liée au processus de ré-injection des volatils dans le manteau via la subduction de la croûte océanique. Du fait de la tectonique des plaques, une large fraction de la croûte terrestre, riche en gaz atmosphériques, est transportée dans la Terre et se mélange ainsi avec les signatures primordiales, en les diluant. La date d’initiation du processus de subduction sur Terre est largement discutée, des arguments laissant supposer que le recyclage en profondeur des éléments commença il y a environ 3 milliards d’années. Cette estimation vient notamment du fait que l’atmosphère terrestre a changé de composition au fil du temps, et que l’on ne trouve dans le manteau terrestre que des signatures d’atmosphère subductée correspondant à des âges plus récents que 2,5 milliards d’années.

L’analyse de roches anciennes (jusqu’à 3,8 milliards d’années) nous indique que cette évolution de l’atmosphère a particulièrement affecté la composition isotopique du xénon et du soufre. L’étude de ces deux éléments apporte des informations sur la dynamique de l’atmosphère ancienne, notamment sur la transition d’une atmosphère dite “réductrice”, avec peu d’oxygène, vers une atmosphère “oxydante”, riche en oxygène. Ce bouleversement pourrait être lié à la perte massive d’hydrogène par échappement vers l’espace, un processus qui aurait notamment affecté la signature isotopique du xénon atmosphérique. En combinant l’analyse du xénon dans les roches anciennes et le développement de modèles numériques complexes, nous cherchons à élucider les conditions à la surface de la Terre primitive (intensité du flux solaire et du champ magnétique, dynamique et composition de l’atmosphère, etc.), ainsi que les processus, ayant joué un rôle dans l’habitabilité de notre planète.

La planétologie comparée (Terre, Mars, Venus) est indispensable pour mieux comprendre l’origine et l’évolution de notre atmosphère. L’analyse des météorites martiennes et des données collectées sur Mars par les missions spatiales indique que Mars est en quelque sorte l’aînée de la Terre, du fait de sa formation très précoce dans l’histoire du système solaire. L’atmosphère martienne aurait évolué très rapidement par échappement d’hydrogène et perte de l’eau présente au départ sur la planète. Aujourd’hui, grand nombre des questions que l’on se pose sur les processus conduisant l’évolution des atmosphères planétaires pourraient trouver leur réponse dans l’analyse de Vénus, dont nous connaissons aujourd’hui très peu de choses. Une mission prochaine de la NASA pourrait tenter de combler cette lacune, avec pour objectif premier, l’analyse des gaz nobles dans l’atmosphère vénusienne.