Une énorme anomalie au sein du manteau terrestre pourrait être le vestige d'une collision ayant formé la lune.

1er novembre 2023

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relecture effectuée par l'Académie Chinoise des Sciences

Une équipe internationale de recherche interdisciplinaire a récemment découvert qu'une énorme anomalie profondément enfouie à l'intérieur de la Terre pourrait être un vestige de la collision il y a environ 4,5 milliards d'années qui a formé la lune. 

Cette recherche offre de nouvelles perspectives importantes non seulement sur la structure interne de la Terre, mais aussi sur son évolution à long terme et la formation du système solaire interne.

L'étude, qui s'est appuyée sur des méthodes de dynamique des fluides informatiques mises au point par le professeur Deng Hongping de l'Observatoire astronomique de Shanghai (SHAO) de l'Académie Chinoise des Sciences, a été publiée en couverture de Nature le 2 novembre.

La formation de la lune a été une énigme persistante pour plusieurs générations de scientifiques. La théorie dominante suggère que, lors des dernières étapes de la croissance de la Terre il y a environ 4,5 milliards d'années, une collision massive, connue sous le nom d '«impact géant», a eu lieu entre la Terre primordiale (Gaia) et une proto-planète de la taille de Mars connue sous le nom de Théia. On pense que la lune s'est formée à partir des débris générés par cette collision.

Des simulations numériques ont indiqué que la lune a probablement hérité principalement du matériel de Théia, tandis que Gaia, en raison de sa masse beaucoup plus importante, a été seulement légèrement contaminée par le matériel théien.

Étant donné que Gaia et Théia étaient des formations relativement indépendantes et composées de matériaux différents, la théorie suggérait que la lune, étant dominée par le matériau théien, et la Terre, étant dominée par le matériau gaian, devraient avoir des compositions distinctes. Cependant, des mesures isotopiques de haute précision ont ensuite révélé que les compositions de la Terre et de la lune sont remarquablement similaires, remettant ainsi en question la théorie conventionnelle de la formation de la lune. Simulation MFM de l'impact géant formant la lune canonique. Ici, différentes couleurs trace les différents composants de Gaia et Théia. Le manteau inférieur de Gaia, représenté par le cercle en pointillé d'un rayon de 0,8 rayons terrestres (RT), est seulement marginalement contaminé par le manteau théien. Crédit : Bi Rongxi et Deng Hongping

Malgré les divers modèles affinés de l'impact géant qui ont été proposés par la suite, ils ont tous été confrontés à des défis.

Pour affiner davantage la théorie de la formation de la lune, le professeur Deng a commencé à mener des recherches sur la formation de la lune en 2017. Il s'est concentré sur le développement d'une nouvelle méthode de dynamique des fluides informatique appelée Meshless Finite Mass (MFM), qui excelle dans la modélisation précise de la turbulence et du mélange de matériaux.

En utilisant cette approche novatrice et en effectuant de nombreuses simulations de l'impact géant, le professeur Deng a découvert que la Terre primitive présentait une stratification du manteau après l'impact, le manteau supérieur et le manteau inférieur ayant des compositions et des états différents. Plus précisément, le manteau supérieur présentait un océan de magma, créé par un mélange approfondi de matériaux provenant de Gaia et de Théia, tandis que le manteau inférieur est resté largement solide et a conservé la composition de Gaia.

« Les recherches précédentes avaient accordé une importance excessive à la structure du disque de débris (précurseur de la lune) et avaient négligé l'impact de la collision géante sur la Terre primitive », a déclaré Deng.

Après des discussions avec des géophysiciens de l'École polytechnique fédérale de Zurich, le professeur Deng et ses collaborateurs ont réalisé que cette stratification du manteau pourrait avoir persisté jusqu'à nos jours, correspondant aux réflecteurs sismiques globaux dans le manteau moyen (situes à environ 1 000 km sous la surface de la Terre).

Plus précisément, l'ensemble du manteau inférieur de la Terre pourrait encore être dominé par le matériau gaian pré-impact, qui a une composition élémentaire différente (y compris une teneur plus élevée en silicium) par rapport au manteau supérieur, selon l'étude précédente du professeur Deng.

« Nos découvertes remettent en question la notion traditionnelle selon laquelle l'impact géant a conduit à l'homogénéisation de la Terre primitive », a déclaré le professeur Deng. « Au contraire, l'impact géant formant la lune semble être à l'origine de l'hétérogénéité du manteau primitif et marque le point de départ de l'évolution géologique de la Terre sur une période de 4,5 milliards d'années. »

Another example of Earth's mantle heterogeneity is two anomalous regions—called Large Low Velocity Provinces (LLVPs)—that stretch for thousands of kilometers at the base of the mantle. One is located beneath the African tectonic plate and the other under the Pacific tectonic plate. When seismic waves pass through these areas, wave velocity is significantly reduced.

LLVPs have significant implications for the evolution of the mantle, the separation and aggregation of supercontinents, and the Earth's tectonic plate structures. However, their origins have remained a mystery.

Dr. Yuan Qian from the California Institute of Technology, along with collaborators, proposed that LLVPs could have evolved from a small amount of Theian material that entered Gaia's lower mantle. They subsequently invited Prof. Deng to explore the distribution and state of Theian material in the deep Earth after the giant impact.

Through in-depth analysis of previous giant-impact simulations and by conducting higher-precision new simulations, the research team found that a significant amount of Theian mantle material, approximately 2% of Earth's mass, entered the lower mantle of Gaia.

Prof. Deng then invited computational astrophysicist Dr. Jacob Kegerreis to confirm this conclusion using traditional Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) methods.

The research team also calculated that this Theian mantle material, similar to lunar rocks, is enriched with iron, making it denser than the surrounding Gaian material. As a result, it rapidly sank to the bottom of the mantle and, over the course of long-term mantle convection, formed two prominent LLVP regions. These LLVPs have remained stable throughout 4.5 billion years of geological evolution.

Heterogeneity in the deep mantle, whether in the mid-mantle reflectors or the LLVPs at the base, suggests that the Earth's interior is far from a uniform and 'boring' system. In fact, small amounts of deep-seated heterogeneity can be brought to the surface by mantle plumes—cylindrical upwelling thermal currents caused by mantle convection—such as those that likely formed Hawaii and Iceland.

For example, geochemists studying isotope ratios of rare gases in samples of Icelandic basalt have discovered that these samples contain components different from typical surface materials. These components are remnants of heterogeneity in the deep mantle dating back more than 4.5 billion years and serve as keys to understanding Earth's initial state and even the formation of nearby planets.

According to Dr. Yuan, 'Through precise analysis of a wider range of rock samples, combined with more refined giant impact models and Earth evolution models, we can infer the material composition and orbital dynamics of the primordial Earth, Gaia, and Theia. This allows us to constrain the entire history of the formation of the inner solar system.'

Prof. Deng sees an even broader role for the current study. 'This research even provides inspiration for understanding the formation and habitability of exoplanets beyond our solar system.'

Provided by Chinese Academy of Sciences