J’ai corrigé le 3ème écrit blanc de l’année 2009 de la prépa agreg de l’ENS Lyon. J’ai choisi comme sujet : Origine et originalités de la planète Terre. La correction se trouve ici pour la version PDF ou juste après pour la lire en ligne
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Origine et originalites de la planete Terre

Tristan FERROIR
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Table des matières

I Origine de la planète Terre dans le système solaire ……..    3

A La planète Terre est une planète tellurique ………………………..      3

B Origine des éléments constituants la planète Terre ……………………      4

C De la formation de la nébuleuse protosolaire au planétésimal Terre ……………      4

1          Les chondrites : les premières pierres du système solaire ……………..      4

2          De la condensation de la nébuleuse `a la formation des roches du système solaire . . . .      5

3          L’accrétion des chondrites en planètes ………………………      5

4          Importance de la place de la Terre dans le système solaire sur sa constitution …..      7

5          Importance de l’environnement stellaire dans la formation de la Terre ………      7

D La différenciation de la Terre en enveloppes concentriques ………………..      8

1          La différenciation noyau-manteau …………………………      8

2          La différenciation de l’atmosphère et de l’hydrosphère ………………      9

3          Quel modèle de Terre? ………………………………    10

II Les originalités primaires de la planète Terre ………….   11

A La présence d’eau en surface sous ses trois états ……………………..    11

1          Les origines de l’eau sur Terre …………………………..    11

2          Diagramme de phase de l’eau et conditions p,T sur Terre …………….    11

3          L’eau sur les autres planètes ……………………………    12

B Un champ magnétique intense ………………………………    13

1          Origine et particularités du champ magnétique terrestre ……………..    13

2          Le champ magnétique des autres planètes …………………….    13

C Un satellite, la Lune, stabilisateur de paramètres orbitaux ………………..    13

1          La formation de la Lune ……………………………..    14

2          La stabilisation des paramètres orbitaux de la Terre ……………….    14

3          L’extrˆeme fin de l’accrétion vue par la Lune ……………………    15

III Les originalités secondaires de la planète Terre ………..   16

A La présence de Vie diversifiée en surface …………………………    16

1          Conditions d’existence de la Vie sur une planète …………………    16

2          Les arguments géologiques permettant de dater les origines de la Vie ……….    17

3          Les hypothèses sur l’origine de la Vie sur Terre ………………….    17

4          Comment passer des molécules prébiotiques `a la véritable Vie? ………….    18

5          La Vie sur les autres planètes …………………………..    18

B La présence de dioxygène et d’une faible quantité de CO2 dans l’atmosphère ………    19

1          La composition des atmosphères planètaires ……………………    19

2          Le piègeage du CO2 dans les carbonates et les roches carbonées ………….    19

3          La formation du dioxygène ……………………………    20

C Des plaques lithosphériques à croute partiellement granitique animées d’une tectonique . . . .    20

1          Quelques arguments en faveur de la tectonique des plaques ……………    20

2          Tectonique des plaques, convection mantellique et comparaison aux autres planètes . .    21

3          Une croute granitique sur Terre ………………………….    23

Introduction

La quete des origines a toujours ete au coeur des preoccupations de l’Homme. Par exemple, les civilisations judeo-chretiennes se sont au depart essentiellement basees sur la Bible pour repondre aux differentes questions quant aux origines de la Terre et de la Vie. D’ailleurs, au sein meme du Livre, trois geneses distinctes sont envisagees, ce qui demontre aussi 1’influence des autres civilisations et l’avancee de la recherche dans revolution de la pensee. Notre planete, la Terre, fait partie d’un ensemble plus vaste, le systeme solaire constitue de differents corps. Parmi eux, les planetes sont les objets les plus massifs juste apres l’etoile centrale qu’est le Soleil. Suite aux debats et reunions des astronomes, la definition d’une planete a ete modifiee pour aboutir a la suivante :

–  une planete doit etre un objet spherique

–  une planete doit etre en orbite autour d’une etoile centrale

–  une planete doit etre gravitairement maitre de son orbite, c’est a dire etre le centre de gravite de l’ensemble des corps presents sur cette orbite

A partir de cette definition, huit corps sont a l’heure actuelle consideres comme etant des planetes dans le systeme solaire.

Fig. 1: Enchainement des differentes planetes au sein du systeme solaire. Les planetes telluriques, les quatre premieres, sont situees dans la zone interne alors que les planetes geantes gazeuses sont situees dans la zone externe.

Parmi ces 8 planetes, la planete Terre est situee en 3eme position, a une unite astronomique du Soleil, soit 150 millions de kilometres. Son histoire est liee a l’ensemble de celle du systeme solaire, tant pour son origine que pour sa composition. Comment la Terre s’est-elle formee ? Quelles caracteristiques communes partage-t-elles avec ses voisines ? Malgre une origine commune, sa position particuliere lui a permis d’acquerir certaines originalites. Sa plus grande originalite, dont decoulent quasiment toutes les autres est la presence d’eau sous les trois etats de la matiere en surface. Comment expliquer cette originalite? Quelles sont les originalites qui s’en suivent ? Quelles autres originalites presentent-elles ? Par ailleurs, la presence de Vie sur Terre est aussi une interrogation pour les scientifiques : c’est a partir des differentes origines de cette Vie et des originalites de la planete Terre que sont recherches d’autres mondes habitables/habites. II semble ainsi necessaire de s’interroger sur l’origine de la planete Terre. Connaissant cette origine, nous nous attacherons a identifier les originalites qui proviennent de ces origines et nous verrons en quoi elles ont pu permettre 1’apparition de la Vie. Fort de toutes ces reflexions, nous concluerons quant a la potentielle existence de Vie ailleurs dans le systeme solaire et dans l’Univers.

I Origine de la planete Terre dans le systeme solaire

A La planete Terre est une planete tellurique

Parmi les differents objets du systeme solaire, on peut noter trois types de corps principaux dont nous donnons les caracteristiques ci-apres. II s’agit des planetes telluriques, des planetes gazeuses et des satellites de glace. Connaitre leurs caracteristiques respectives semble indispensable afin de pouvoir montrer les differentes originalites de la Terre.

Objet tellurique          Objet jovien          Objet ganymedien

Fig. 2: Les differents gros objets differencies constituant le systeme solaire

La Terre fait partie des planetes telluriques au meme titre que Mercure, Venus et Mars. La structure interne de la Terre a ete obtenue essentiellement par les differents travaux de sismologie menes entre autres par Mohorovicic (limite croute-manteau), Gutemberg (limite manteau-noyau) et Lehman (limite noyau externe-graine). La composition des differentes enveloppes ainsi definies peut
etre obtenue par echantillonage dans le cas des croutes qui sont granito-gneissique pour la croute continentale ou basaltique pour la croute oceanique. Le manteau est compose de peridotite (roche a olivines et pyroxenes) qu’on peut trouver a l’ameurement en enclaves dans des roches volcaniques (basaltes). Enfin, la composition du noyau terrestre, a pu etre deduite d’une part de l’existence de materiaux denses en profondeur comme en temoigne un moment d’inertie plus faible que celui d’un corps homogene (0,33 contre 0,4) ainsi qu’une densite de surface des roches d’environ 3 alors que la densite moyenne de la Terre est de 5,5. Tout ceci a conduit a supposer l’existence d’un noyau dense dont la nature a ete suggeree par Birch comme etant ferreuse. Cette reflexion est basee sur le relation entre vitesse des ondes sismiques dans le noyau et masse molaire des materiaux : le fer semblait le meilleur candidat. Nous verrons par ailleurs que l’existence d’un champ magnetique est un argument supplementaire dans cette proposition.

В Origine des elements constituants la planete Terre

L’histoire de l’Univers commence avec le Big Bang il у a environ 13,5Ga. A la suite de cette explosion gigantesque, les premieres particules elementaires puis les premiers elements (H, He) apparaissent. La formation des elements plus lourds que ces derniers est liee a la formation des etoiles. Ainsi, le carbone, l’azote, l’oxygene, tous les elements jusqu’au fer sont formes par la nucleosynthese stellaire le long de la sequence principale (H -^He avec des intermediaries de C, N, O) puis au cours de la phase geante rouge (atome du carbone au fer). Tous les elements avec des numeros atomiques superieurs au ⁵⁶Fe sont produits par l’explosion d’etoiles massives que sont les supernovae.

La Terre, en tant qu’entite constituee de l’ensemble des elements presents dans la classification de Mendeleiev, a recu sa matiere des systemes stellaires precedents : le systeme solaire est done un systeme de deuxieme generation au moins.

С De la formation de la nebuleuse protosolaire au planetesimal Terre

1 Les chondrites : les premieres pierres du systeme solaire

Les chondrites sont des meteorites indifferenciees constituees des elements suivants :

Fig. 3: Caracteristiques des chondrites

–  Les chondres, composes d’olivine et de pyroxene, sont des structures rondes, de taille comprise entre 100 um et 1mm temoignant d’une fusion puis d’une cristallisation en apesanteur et done en l’absence de gros corps exergant une gravite intense

–  La matrice cimente tout ces chondres les uns aux autres et est aussi composee d’olivine et de pyroxene dans le cas des chondrites ordinaires ou de silicates hydrates et d’un peu de matiere carbonee dans le cas des chondrites carbonees

–  Les CAI (inclusions refractaires constituees de mineraux contenant du calcium et de l’aluminium comme les feldspaths et le corindon) mais qui ne sont presents que dans certaines chondrites carbonees

–  Du fer pur sous forme metallique qui n’est present que dans les chondrites orinaires dans une proportion d’environ 30%

Le Soleil represente plus de 99% de la masse du systeme solaire. Or, si on compare la chimie de la photosphere solaire obtenue par spectrometrie et la composition moyenne des chondrites de type CI, on constate que la chimie des chondrites et celle du soleil sont tres proches. Bien sur, il у a une difference importante en ce qui concerne les elements volatile (~ceux qui passent facilement sous forme gazeuse du fait de la nature memeu Soleil). Cela veut donc dire que les chondrites représentent bien la chimie moyenne des corps rocheux du système solaire à partir desquels les planètes ont pu se former.

Fig. 4: Abondance relative normalisee au Si des chondrites et de la photosphere solaire

2     De la condensation de la nebuleuse a la formation des roches du systeme solaire

Nous avons vu que les chondrites representent globalement la chimie du systeme solaire. L’observation de systemes stellaires lointains comme la nebuleuse d’Orion montre que le systeme se forme a partir d’un nuage moleculaire. Ce dernier se condense et lorsque le couple pression/temperature au centre du nuage est suffisant l’etoile s’allume : on passe d’une nebuleuse obscure a une nebuleuse claire. Tout autour, differents mineraux se condensent en fonction de leur temperature de condensation propre d’une part et de la temperature qui regne dans le milieu d’autre part. La sequence theorique est presentee sur la figure 5. On obtient ainsi differents mineraux. Cette sequence theorique est par ailleurs confirmee par les observations faites dans les chondrites : les CAIs qui sont des inclusions refractaires et qui ont done une temperature theorique de condensation plus elevee, ont des ages plus anciens que ceux des chondres qui sont des silicates. L’ensemble de ces meteorites permet de verifier le couple observation-theorie realise sur des systemes stellaires lointains mais aussi de dater la formation du systeme solaire a 4,567Ga (methode Plomb-Plomb). Les differents mineraux ainsi condenses vont, par des mecanismes encore mal contraints, se rassembler en chondrites.

Fig. 5: Sequence de condensation theorique des differents mineraux

3     L’accretion des chondrites en planetes

Nous avons vu que les chondrites carbonees ont la composition globale du Soleil. Cependant, en calculant la composition moyenne de la Terre globale et en la comparant aux chondrites ordinaires, on constate une formidable correspondance. Si cela pose probleme sur le type de chondrite a choisir pour former la Terre, cela ne change pas la proposition generale.

	Chondrite ordinaire	Moyenne de la Terre	Croute continentale	Croute oceanique	Manteau	Noyau
Si02	36	35-40	60	47	44
Fe + FeS	21	20-25	0	0	0	>80
FeO	10	7-10	4	11	10
MgO	24	20-25	3	12	36
A1203	2	2-3	15	14	4
CaO	2,5	2-3	5	9	3
Na20+K20	1	1	6	2,5	1

Tab. 1: Comparaison de la composition des chondrites CI et de la Terre globale

On peut done mettre en avant l’hypothese d’une accretion dite homogene : les petits corps chondritiques se seraient aggreges a la faveur de choc se produisant sur leurs orbites et qui auraient permis la formation de corps de plus en plus gros. Ce modele impose ensuite de proposer un scenario de differentiation ainsi que des sources d’energie permettant cette separation en differentes enveloppes concentriques.

Fig. 6: Les deux modeles d’accretion permettant de former la planete Terre a partir des meteorites

Un deuxieme modele qui est base sur l’existence d’achondrites pierreuses de nature proche de celle du manteau terrestre et d’achondrites ferreuses de petrologie proche de celle du noyau proposait une accretion heterogene. Dans ce scenario les siderites formant le noyau se seraient accretees puis les achondrites formant le manteau. Cette hypothese beaucoup plus improbable a ete abandonnee pour les planetes telluriques. II reste cependant d’actualite pour les planetes gazeuses.

L’age de la Terre a longtemps fait debat et plusieurs methodes distinctes ont ete employees arm de le determiner. En 1953 Clair Patterson montre a partir de la methode uranium/plomb que la Terre et les meteorites se sont formees au meme moment a partir d’un reservoir identique il у a 4 55 milliards d’annees .

4 Importance de la place de la Terre dans le système solaire sur sa constitution

En tant que troisième planète du système solaire, la Terre se situe dans la zone interne. Lorsqu’on observe la répartition des corps au sein du système solaire, on constate que le système solaire interne est constitué des planètes telluriques alors
que le système solaire externe est formée des planètes géantes gazeuses et des satellites de glace. Il semble donc y avoir une dichotomie compositionnelle entre ces deux parties. L’explication tient à la température qui règnait aux alentours du Soleil au moment de son allumage. Etant donné la séquence de condensation que nous avons mise en avant, le système solaire interne, plus chaud, n’a pu condenser que des parties rocheuses et liquides. Vers l’extérieur, aussi bien les roches que les glaces ont pu se condenser. On peut donc ainsi créer des planètes telluriques vers le centre du système solaire et des satellite de glaces et des comètes vers l’extérieur. Les planètes géantes sont quant à elle pour partie le fruit de la dynamique du Soleil au moment de son allumage. Au cours de cette phase, appelée T-Tauri, de violents vents solaires peuvent balayer l’ensemble du système solaire en partant de l’étoile centrale. Ces vents ont en partie emporté les gaz présent dans le système solaire interne vers le système solaire externe. La présence de glace fait que cela augmente la matière disponible pour la formation des planètes par 3 ou 4 et donc augmente la taille potentielle. La gravitation est donc d’autant plus importante et permet donc de retenir plus facilement les gaz. Ainsi, la position de la Terre dans le système solaire est donc un point clé de sa constitution et de ses originalités comme nous le verrons plus tard.

Fig. 7: Profil de temperature dans la nebuleuse protosolaire en lien avec la constitution des planetes

5 Importance de I’environnement stellaire dans la formation de la Terre

Nous avons signale que le systeme solaire etait ne de l’effondrement gravitaire d’une nebuleuse. Le de-clencheur de cette naissance pourrait etre l’explosion d’une supernova qui, par propagation de l’onde de choc, aurait entraine l’effondrement du nuage moleculaire. Cette theorie est mise en avant suite aux observations d’anomalies isotopiques au sein des chondrites. On trouve en effet une trop grande concentration de ²⁶Mg . Cet isotope est produit par la desintegration radioactive a courte periode de V²⁶Al dont la periode de demie-vie est de 0.73Ma et qui n’est produit que dans les supernoave. Cela signifie done qu’au moment de la formation des chondrites, il existait encore du ²⁶Al et done qu’une supernova avait explose il у a moins de 7Ma. Un raisonnement similaire peut etre fait pour les anomalies des isotopes de l’oxygene presentes dans les CAIs qui temoignent de la presence d’au moins une geante rouge aux alentours. Ainsi, lors de sa formation, le systeme solaire et la Terre avait un environnement complexe qui ont fortement influence leur mise en place.

Une hypothese alternative des anomalies isotopiques en oxygene : le self-shieldingPour expliquer les anomalies isotopiques en oxygene dans les chondrites, un nouveau modele a ete propose. Ce modele propose que la molecule de CO tres abondante dans le systeme solaire aurait pu etre photodissociee par le jeune Soleil. Or, le CO, CO et le CO sont photodissocies pour des longueurs d’onde differentes. Comme il у a beaucoup de CO puisque l’atome d О est le plus abondant, les rayons ayant la longueur d’onde requise sont vite absorbes : il n’est possible d’integrer du 160 que dans les mineraux proche du Soleil. A l’oppose, il у a peu de О : le rayonnement qui peut photodissocier le О se propage plus loin : le О pourrait etre integre dans les mineraux sur une plus grande distance a partir du Soleil. On peut ainsi creer des mineraux avec des rapports isotopiques en oxygene distincts.

D La differentiation de la Terre en enveloppes concentriques 1 La differenciation noyau-manteau

Nous avons rappele que le noyau etait constitue de fer et le manteau de silicate de type olivine et pyroxene. Ainsi, la composition mineralogique meme de la Terre manteau+noyau est tres proche de celle des chondrites ordinaires. II est done envisageable qu’une fois la proto-Terre accretee sous forme d’un corps chondritique, elle se soit differenciee en enveloppes concentriques. Pour avoir une differenciation entre le noyau et le manteau, il faut une fusion importante permettant la separation de la phase ferreuse de la phase silicatee. Cette fusion va conduire a la formation de deux liquides immiscibles, l’un constitue de fer et qui contiendra aussi tous les elements siderophiles et un liquide silicatee contenant quant a lui les elements lithophiles. Par le simple fait d’une difference de densite, le liquide ferreux, plus dense, va se retrouver au centre de la planete tandis que le liquide plus leger, silicate, va se retrouver en peripherie. On forme ainsi le noyau et le manteau terrestre. L’energie permettant la fusion de la proto-Terre a deux origines : d’une part la chaleur d’accretion provenant des chocs entre les planetesimaux qui ont forme la proto-Terre et, d’autre part, la radioactivite qui etait plus active car il у avait plus d’elements radioactifs a cette epoque que ce soient les radioactivites a longue periode (U/Pb par exemple) ou l’existence de radioactivite a courte periode comme (²⁶Al —> ²⁶Mg )

Fig. 8: Schéma de la différenciation entre le noyau et le manteau : une Terre complètement fondue ségrège deux liquides immiscibles dont le plus dense migre vers le centre de la planète

Comment approcher le moment auquel s’est faite cette différenciation ? Les mesures isotopiques faites sur les couples U/Pb (²³⁸U →²⁰⁶ Pb et ²³⁴U →²⁰⁸ Pb ) montrent que le noyau s’est formé très tˆot dans l’histoire de la Terre, au moins durant les 300 premiers millions d’années. Il semble donc judicieux, pour obtenir un age plus précis d’utiliser un couple d’isotope radioactif qui a d’une part une période radioactive adaptée (10.T_1/2 < 300Ma) et, d’autre part, un comportement permettant de dater une séparation entre une phase metallique et une phase silicatee. Dans ce cadre, le couple ¹⁸²Hf → ¹⁸² W semble particulierement adapte : la periode radioactive de ce couple est de 9Ma (si cette periode est bien inferieure a celle requise, l’absence de noyau dans la Lune et son existence des 4,4Ga montrent que le noyau a du se former en realite durant les 100 premiers millions d’annee [cf. C]) et l’element Hafnium (Hf) est lithophile alors que le Tungstene (W) est siderophile. Ainsi deux scenarios sont envisageables :
–  si la differenciation est precoce, il restera beaucoup de ¹⁸²Hf dans le manteau puisque seul le ¹⁸²W sera emporte dans le noyau. Apres la desintegration complete du ¹⁸²Hf, il у aura alors un rapport ¹⁸²W/¹⁸⁴W elevé dans les roches mantelliques (fig. 9, schema du haut)
–  si la differenciation est tardive, alors le ¹⁸²Hf se sera beaucoup desintegre et il en restera done peu dans le manteau au moment de la separation noyau-manteau. Apres la desintegration complete de la faible quantite de Hf restante, le rapport  ¹⁸²W/¹⁸⁴W des roches mantelliques sera faible (fig. 9, schema du bas).

Fig. 9: Principe de la datation de la formation du noyau par le couple ¹⁸²Hf/¹⁸²W

En pratique, les mesures isotopiques montrent que le rapport est eleve et traduit une differenciation qui date d’environ 60Ma apres la formation de la Terre.

2 La differenciation de I’atmosphere et de I’hydrosphere

Fig. 10: Les principales etapes de la differenciation de I’atmosphere par degazage puis de l’ocean par condensation d’une partie de I’atmosphere.

L’atmosphere terrestre s’est formee essentiellement par degazage du manteau. Cependant, l’impact geant qui forma la Lune a aussi jouer un role au debut de l’histoire
de la Terre en vaporisant line partie des silicates formant ainsi line atmosphere faite de CO2, de vapeur d’eau et de vapeur silicatee. Apres une diminution rapide de la quantite des vapeurs de silicates presentes dans 1’atmosphere celle-ci etait extremement tenue (p~400bars soit 400 fois la pression atmospherique actuelle) et composee majoritairement de CO2 et d’H₂0. Les oceans ont ensuite precipite rapidement (en quelques milliers d’annees) comme en temoignent certains zircons dates de 4,4Ga qui semblent avoir interagi avec de l’eau oceanique. Ces oceans etait encore tres chauds (~70°C comme le montre le fractionnement des isotopes du silicium dans les silex) et certainement plus sales etant donnee la grande quantite d’HCl rejetee par les eruptions volcaniques et la quantite de Na disponible par alteration des feldspaths basaltiques. Pour information, des inclusions fluides dans des roches datees de l’archeen montrent que la concentration en NaCl des oceans devait etre trois fois superieure a la salinite actuelle.

Fig. 11: Principe de datation de la formation de l’atmosphere terrestre

Avant d’ancrer tout ceci dans une chronologie absolue, la premiere methode a ete de faire des modeles de refroidissement de la Terre; c’est ce qui a permis de reconstituer en partie la sequence presentée au schema 10. Un autre moyen a ete de dater la formation de Г atmosphere terrestre grace au couple ^A0K -+^A0 Ar qui a un temps de demi-vie de 1.7Ga. Le potassium (K) est lithophile alors que l’argon (Ar) est atmophile. En ceci, ce couple isotopique est un bon choix pour etudier la separation manteau-atmosphere. Les resultats de ces etudes montrent que 1’atmosphere s’est formee tres tot dans l’histoire de la Terre durant les 100 premiers millions d’annees.

3 Quel modele de Terre ?

Nous avons deja effleure ce probleme lorsque nous avons compare la composition chimique de la Terre a celle des chondrites. En effet, la composition du Soleil semble tres proche de celle des chondrites carbonees de type CI. Pourtant, lorsqu’on compare la composition chimique de la Terre avec celle des chondrites ordinaires celles-ci sont en bien meilleur accord. Par ailleurs, d’autres arguments tendent a rapprocher la Terre des chondrites a enstatite. Nous proposons dans le tableau ci-apres les points en faveur ou en defaveur de tel ou tel modele. A l’heure actuelle, le modele propose en fait que la Terre soit un melange de ces chondrites.

La Terre s’est done formee par accretion de planetesimaux de composition globalement chondritique. De fagon contemporaine a cette accretion, s’est produite la differenciation de la planete permettant la formation d’une dualite manteau-noyau et hydrosphere-atmosphere. Cette origine est finalement sans originalite veritable puisque la Terre partage l’ensemble de ses mecanismes de formation et de differenciation avec les autres planetes telluriques et les satellites de glace. Les planetes geantes ont quant a elle une accretion plus poche de l’accretion heterogene. Cependant, la place meme de la Terre dans le systeme solaire a conditionne son devenir futur et l’apparition de certaines originalites par rapport a ses “semblables”

Type de chondrite	Points positifs	Points negatifs
Chondrites carbonees	– Composition chimique proche du Soleil et donc du système solaire en général – Position dans le diagramme des isotopes de l’oxygène	— Probleme sur la quantite de fer reduit (quasiment inex-istant alors qu’il en faut 30% pour former le noyau. La reduction du fer oxyde par le carbone present [^10% de la meteorite] ne permet pas de resoudre le probleme
Chondrites ordinaires	– Composition chimique de la Terre globale – Quantité de fer suffisante pour former un noyau	– A une composition chimique différente de celle du Soleil – N’est pas en bonne position sur la droite des isotopes de l’oxygène
Chondrites a enstatite	– Position dans le diagramme des isotopes de l’oxygène compatible avec un réservoir parent avec celui de la Terre	— Compostion differente de celle de la Terre et du sys-teme solaire — Meteorites trop reduites

Tab. 2: Les differents arguments quant au modele de Terre

II Les originalites primaires de la planete Terre

A La presence d’eau en surface sous ses trois etats

1     Les origines de I’eau sur Terre

L’origine de l’eau sur Terre est sujette a debat. Quatre hypotheses sont envisagees :

–  La premiere origine est une eau provenant des meteorites de type chondrite carbonee. En effet, la plupart d’entre elles contiennent de l’eau et surtout des mineraux hydrates (serpentines, argiles) qui en etant chauffes peuvent relaguer de l’eau.

–  La deuxieme origine proposee est une eau provenant des cometes. Ces objets sont en effet un melange de roches et de glaces dont la glace d’eau. Elles auraient done pu aussi contribuer au transport de l’eau sur Terre.

–  La troisieme hypothese est la theorie du degazage que nous avons presente en 2.

–  La quatrieme hypothese, beaucoup plus discutee et discutable est l’apport par des micrometeorites qui sont certes tres petites mais qui tombent en grande quantite sur Terre.

L’hypothese la plus favorisee a l’heure actuelle est celle des meteorites. Quand on parle ici de meteorites, ce sont plus des objets de tailles asteroidales (10 a 40% de la masse terrestre) qui faisaient partie d’em-bryons planetaires situes au niveau de la ceinture d’asteroi’des. Cette hypothese est basee d’une part sur des simulations numeriques de formation du systeme solaire et d’autre part sur des arguments geochimiques, notamment le rapport D/H. Dans le cas des chondrites carbonees (et done de la ceinture d’asteroide), ce rapport est tres voisin de celui de la Terre (^ = 150.10-⁶) alors que celui des cometes est deux fois plus eleve. Ainsi, l’origine probable de l’eau sur Terre est meteoritique ou un degazage du manteau, la Terre resultant de l’accretion de chondrites, il est difficile de discriminer les deux.

2     Diagramme de phase de l’eau et conditions p,T sur Terre

L’eau est presente sous ses 3 etats a la surface de la Terre :

–  solide sous la forme de la cryosphere materialisee par les glaciers, les calottes et les inlandsis

–  liquide sous la forme des oceans, des riveres et des nappes phreatiques

–  gazeuse, en faible quantite dans 1’atmosphere

Une comparaison avec les autres planetes telluriques montre que ces dernieres ne presentent pas cette originalite. En regardant le diagramme de phase de l’eau on constate que deux points sont importants dans l’existence de l’eau sous ses 3 formes : la pression et la temperature. Nous allons tenter d’expliquer quelle est l’origine des differences entre les couples p,T des differentes planetes fondant l’originalite “aquatique” de la Terre.

Fig. 12: Le diagramme de phase de l’eau avec les differentes conditions pression-temperature regnant sur les planetes telluriques

1. La temperature depend en partie de la distance au Soleil. Ainsi, Mercure qui est la premiere planete du systeme solaire a une temperature de surface trop elevee pour avoir la possibilite d’avoir de l’eau liquide. Dans le cas de Venus, l’enorme effet de serre du a la presence d’une atmosphere tenue augmente drastiquement la temperature de surface, ce qui pose le meme probleme que sur Mercure. La distance entre la Terre et le Soleil, combinee a l’effet de serre relativement modere fait que la Terre a une temperature autorisant la presence d’eau liquide.

2. Le deuxieme parametre qui joue un role important est la pression. On peut s’en rendre compte en comparant la Terre et Mars. Si les gammes de temperature realisees sur les deux planetes sont assez voisines, la pression atmospherique martienne est tres faible. Ceci engendre une impossibilite pour Mars d’avoir de l’eau liquide a sa surface contrairement a la Terre. Nous expliquerons plus en detail la faible pression atmospherique terrestre comparee a celle de Venus au paragraphe В et martienne ci-apres.
Ainsi, c’est le couple pression temperature qui joue fortement sur l’etat physique de l’eau en surface et on ne peut resumer uniquement la presence d’eau au parametre p ou au parametre T. Ainsi, meme avec une temperature plus moderee, l’eau liquide ne pourrait exister sur Venus etant donne sa trop forte pression atmospherique.

Ceci nous amene done a nous poser la question de savoir ce qui gouverne la pression atmospherique et done la presence d’une atmosphere. II s’agit en fait d’une simple question de taille de la planete. Plus la planete est grosse,
plus elle est massive et plus sa gravite est importante. Ainsi, elle peut retenir plus facilement les gaz. En l’occurrence, Mars est trop petit pour avoir retenu une atmosphere importante et celle-ci a done fui. C’est aussi le cas de Mercure qui est en plus soumis au “soufflage” constant en provenance du Soleil. A contrario, Venus et la Terre ont une taille assez importante pour avoir retenu une atmosphere. Par ailleurs, la temperature a aussi un role important puisque plus la temperature est elevee, plus l’agitation moleculaire est forte et done plus les molecules ont une vitesse importante leur permettant de s’echapper de l’attraction gravitationnelle de la planete. Dans tous les cas, Patmosphere, par le mecanisme de l’effet de serre, a tendance a augmenter de fagon plus ou moins importante la temperature de la planete. Ainsi, Patmosphere importante de Venus (90 bars) fait passer la temperature d’equilibre de la planete (c’est a dire la temperature ne tenant compte que de la distance au Soleil sans Pinfluence de Patmosphere) de -20°C a +477°C alors que Patmosphere moins dense (1 bar) de la Terre n’augmente la temperature d’equilibre que de -20°C a +20°C.

3 L’eau sur les autres planetes

Nous avons done vu que les conditions de pression et de temperature gouvernent fortement l’etat de l’eau a la surface des planetes. Cependant, etant donne le mode de formation commun entre toutes les planetes telluriques, il semble pertinent de se demander ou est passe l’eau des autres planetes telluriques. Pour Mars, nous avons deja partiellement repondu a la question; les conditions p,T font que l’eau en surface est soit sous forme solide, ce qu’on observe au niveau des calottes polaires, soit sous forme gazeuse. Dans le cas de la forme gazeuse, nous avons precise au paragraphe precedent que la plupart des molecules s’echappait de Patmosphere martienne, l’eau en fait partie. Par contre, il faut envisager qu’en profondeur, la pression soit suffisante pour qu’il у ait de l’eau sous forme liquide telle que des nappes. Enfin, dans un passe lointain, Mars semble avoir eu de l’eau comme en temoigne l’existence de certains mineraux hydrates ou evaporitiques (gypse), de structures sedimentaires particulieres (stratification entrecroisee par exemple) et des arguments morphologiques comme Valles Marineris.

Le cas de Mercure est analogue a celui de Mars. La presence d’eau est extremement reduite et se trouverait dans l’ombre des crateres qui ne verrait jamais le Soleil et ou la temperature serait assez basse pour atteindre la condensation de l’eau en glace.

Enfin, pour Venus, on devrait avoir une quantite phenomenale d’eau presente dans l’atmosphere. Or ce n’est pas le cas. Cela veut done dire que cette eau est partie et pourtant la planete est assez massive pour la retenir dans son champ de gravite. L’hypothese mise en avant est la possibilite d’oxydation de la surface Venusienne par l’eau puis la perte du H2 resultant par photodissociation et echappement.

On peut rappeler aussi que certains des objets ganymediens presentent de l’eau sous ses trois etats mais avec de l’eau liquide en profondeur comme nous l’avions souligne au A.

В Un champ magnetique intense

1 Origine et particularites du champ magnetique terrestre

La Terre possede un champ magnetique et son existence a ete utilisee pour s’orienter des le Xeme siecle par les Chinois. Le champ magnetique de la planete Terre est essentiellement dipolaire avec un axe de dipole aligne approximativement sur l’axe de rotation. Ce champ magnetique est intense, sa valeur va de 33 000 nT a l’equateur jusq’a 70 000 nT aux poles. La presence de ce champ magnetique a ete un argument supplementaire pour l’existence d’un noyau compose de fer. A l’heure actuelle, on propose que ce champ magnetique est produit par convection du noyau liquide externe selon le mode d’une dynamo autoentretenue : un conducteur, ici le fer liquide, est mis en mouvement et cree un champ magnetique. Un champ magnetique dans lesquel se deplace un conducteur renforce le champ electrique : le champ est done autoentretenu. La source du mouvement est ici la difference de temperature entre le noyau externe et la graine et le relargage d’elements legers et d’energie a la limite graine noyau externe.

Fig. 13: Schema de la genese du champ magnetique terrestre et de la formation d’une magnetosphere

2 Le champ magnetique des autres planetes

A l’oppose, tres peu de planetes telluriques possedent un champ magnetique : Mars a un champ magnetique remanant et on n’a jamais mesure de champ magnetique sur Venus. Seul Mercure possede un champ magnetique tres faible (1% de celui de la Terre) ce qui conduit les scientifiques a se demander si oui ou non il est genere par effet dynamo. Si on peut supposer que Mars est trop petit pour avoir encore un noyau liquide et done un champ magnetique, l’absence de champ magnetique sur Venus est problematique puisque sa taille et done l’energie disponible est comparable a celle de la Terre.

Les planetes geantes possedent toutes un champ magnetique beaucoup plus intense que celui de la Terre mais celui-ci est genere de facon differente puisque e’est au niveau des couches d’hydrogene et d’helium gazeux puis metallique.

С Un satellite, la Lune, stabilisateur de parametres orbitaux

La Lune est le satellite de la Terre situe a environ 380 000km de nous. Elle est composee d’une croute anorthositique, d’un manteau peridotitique et d’un noyau tres reduit de sulfure de fer (l’existence du noyau lunaire est encore discutee). Parmi les planetes telluriques, seul Mars possede deux satellites, Phobos et Deimos de meme nature que leur planete. Cependant ces derniers sont plus petits et ne sont pas ronds. La Terre presente done l’originalite d’avoir un satellite de nature compositionnelle identique et avec un mode de formation unique. Meme declasse, seul Pluton peut pretendre avoir un couple planete (naine) – satellite de nature identique.

1 La formation de la Lune

Les hypotheses sur la formation de la Lune ont ete nombreuses :

–  L’hypothese de la fission : l’idee etait que la Lune s’etait arrachee de la Terre a cause de la force centrifuge. Cette hypothese est infirmee entre autre par le fait que la Lune ne se situe pas dans le plan equatorial de la Terre.

–  L’hypothese de la capture : la Lune se serait formee a un endroit different de la Terre et aurait ete capturee par cette derniere au cours de son passage. Cette hypothese est infirmee, d’une part, par la difficulte de freiner la Lune pour la capturer et, d’autre part, par les isotopes de l’oxygene qui montre que la Lune dans un reservoir identique a celui de la Terre.

–  L’hypothese de la co-formation : la Lune se serait accretee directement autour de la Terre. Le probleme est que dans ce cas la, la Lune devrait avoir un noyau de taille beaucoup plus elevee et ne devrait done pas etre appauvrie en elements siderophiles.

–  La theorie de 1’impact geant : un corps de la taille de Mars aurait impacte la Terre au cours de son accretion/differenciation et en aurait arrache un morceau. Cette hypothese permet d’expliquer l’appau-vrissement en siderophile de la Lune, 1’impact emportant essentiellement du manteau et la cogenicite demontre par les isotopes de l’oxygene.

La date de formation de la Lune est intimement liee avec la formation du noyau. Nous avons vu que le noyau s’etait forme en environ 60Ma : ainsi, l’impact qui forme la Lune a du se produire aux alentours de cette epoque puisque la quantite de fer et d’elements siderophiles dans la Lune est tres reduite. De plus, les echantillons ramenes par les missions Appolo ont montre que les roches lunaires avaient un age maximum de 4.4Ga temoignant que la Lune s’etait formee moins de moins de 150Ma apres la Terre.

Theia : une protolune située sur un point de Lagrange impactant la Terre Les points de Lagrange sont des points des orbites des planètes ou` peuvent se trouver des corps dans des positions plus ou moins stables. L’orbite terrestre présente deux points de Lagrange avec des positions stables. Certains pensent que The¨ıa, l’impacteur qui produisit la Lune se trouvait sur l’un de ces points. Cette hypothèse est basée sur des simulations numériques qui montrent qu’une bonne partie de la Lune doit ˆetre formée par la matière de l’impacteur. Or la Terre et la Lune présentent des caractéristiques identiques au niveau de leurs isotopes de l’oxygène. Ceci signifie qu’elle se situait à la mˆeme distance du Soleil et donc que l’impacteur aussi. Pourquoi The¨ıa est-il sorti de sa position stable ? Il semblerait que si le corps présent sur le point de Lagrange acquiert une masse trop importante, alors la stabilité est rompue et le corps le plus petit “tombe” sur le corps le plus grand. C’est ce qui serait arrivé pour le couple Terre-Lune. Par ailleurs, l’hypothèse de l’impact géant pour la formation de la Lune est aussi confirmée par des indices iso-topiques. Lorsqu’un corps subit un impact, une partie de la matière se volatilise. Pour un mˆeme atome, les isotopes les plus légers sont plus volatilisés que les isotopes lourds justement à cause de la légère différence de masse. Que ce soit sur Terre ou sur la Lune, on observe une anomalie des isotopes du fer : sur Mars et sur l’astéroide Vesta le 54Fe et le 57Fe se trouvent en proportion identique alors que sur la Terre et sur la Lune, le 54Fe est en proportion beaucoup plus faible que le57Fe. Ceci pointe donc aussi en direction d’un impact géant qui aurait plus facilement volatilisé le fer léger que le fer lourd conduisant à cette différence.

2 La stabilisation des paramètres orbitaux de la Terre

Deux parametres orbitaux, l’obliquite et la precession, sont stabilises par la presence de la Lune. En effet, la Lune exerce des forces de maree sur la Terre. II se trouve que les bourrelets de maree sont legerement en avance par rapport a l’axe Terre-Lune a cause de la rotation de la Terre. L’attraction de la Lune sur ce bourrelet a tendance a ralentir la rotation de la Terre et en consequence a stabiliser ces deux parametres orbitaux.

Fig. 14: Precession, obliquite et stabilisation des parametres orbitaux de la Terre par la Lune

3 L’extreme fin de I’accretion vue par la Lune

Fig. 15: Arguments géologiques extra-terrestres en faveur du bombardement tardif

La Lune possede une croute anorthositique formee vers 4.45Ga. Cette croute est criblee de crateres a l’in-terieur desquels se sont mis en place des basaltes. La datation de ces basaltes aux alentours de 3.8Ga a fait penser qu’il avait du exister un episode de bombardement intense et tardif dans l’histoire du systeme solaire entre 3.8 et 3.9Ga. Ainsi, une quantite de materiel non negligeable semble avoir traverse le systeme solaire et impacte l’ensemble des corps du systeme solaire interne puisque Mercure est aussi tres fortement craterise. Deux hypotheses sont proposees pour expliquer ce bombardement tardif

–  La premiere hypothese postule que les planetes geantes se trouvaient beaucoup plus proches du Soleil que maintenant (entre 5.5 et 15 U.A. avant contre 5.2 et 30 U.A a l’heure actuelle). De nombreux debris non accretes se trouvaient aussi au dela de l’orbite du Neptune d’alors. Les modelisations physiques et informatiques montrent que les planetes geantes ont alors du interagir et aller prendre la place qu’elles occupent actuellement dans le systeme solaire. Ainsi tous les debris non accretes ont ete ejectes pour partie hors du systeme solaire et pour partie vers le systeme solaire interne provoquant le bombardement tardif.

–  La deuxieme hypothese propose qu’etant donne la plus faible quantite de matiere disponible dans la partie la plus externe du systeme solaire Uranus et Neptune auraient ete plus longs a se former. Ainsi leur accretion tardive aurait pu modifier les equilibres gravitaires et eiecter une partie des debris vers le système solaire interne

Fig. 16: Migration des planètes géantes et mise en place du bombardement tardif

Sur notre Terre, si nous n’avons pas de traces physiques comme des crateres de ce bombardement tardif, son existence permet de resoudre certains problemes. Par exemple, si on regarde la quantite d’iridium presente sur Terre, il у en a trop. L’iridium est un element extremement siderophile : la quantite d’iridium dans les roches du manteau et de la croute devrait etre extremement faible puisque l’ensemble de l’iridium devrait avoir migrer avec le fer dans le noyau. Or, on en retrouve en quantite trop importante : on peut done penser que des meteorites ont amener de l’iridium tardivement sur Terre. De meme, ce bombardement tardif a une importance capitale dans l’origine de l’eau sur Terre puisque e’est lui qui aurait pu refournir de l’eau a la Terre apres 1’impact geant qui a cree la Lune et done certainement ampute une bonne partie de la reserve d’eau terrestre.

Par sa position et son origine, la Terre a pu acquerir la presence d’eau sous ses 3 etats a la surface. La faible modification des parametres orbitaux de la Terre grace a la stabilisation realisee par la Lune a permis de minimiser les variations de temperature, permettant a l’eau de perdurer jusqu’a l’heure actuelle. L’existence de cette couche aquatique a eu de nombreuses consequences qui ont conduit a des originalites qu’on pourrait qualifier de secondaires sur Terre. Ces originalites sont au nombre de 3 : l’apparition de la Vie certainement grace au milieu aquatique, la modification importante de son atmosphere par la presence d’eau et de la Vie et enfin, la possibilite d’une tectonique des plaques.

III Les originalites secondaires de la planete Terre

A La presence de Vie diversifiee en surface

Parmi les originalites les plus visibles, outre l’eau, la Vie est aussi a plus d’un titre exceptionnelle. Sur notre planete, cette Vie est incroyablement diversifiee et a reussi a coloniser tous les milieux, aeriens, aquatiques et meme endoges. Cette conquete s’est accompagnee d’une grande diversification des plans d’organisation en rapport avec des adaptations specifiques a chacune des contraintes associees aux differentes environnement de vie.

1 Conditions d’existence de la Vie sur une planete

Differentes conditions sont necessaires a l’etablissement de la Vie telle que nous la connaissons sur une planete. Tout d’abord, la Vie necessitant de l’energie dans le cadre de la realisation de ses fonctions metaboliques, il est necessaire que la planete soit presente en orbite autour d’un certain type d’etoile dont fait partie le Soleil (les etoiles avec une luminosite trop faible sont done a exclure). Ensuite, il faut aussi que cette planete soit situee dans ce qu’on appelle la zone d’habitabilite e’est a dire une zone ou l’eau peut exister sous ses 3 etats. Dans le systeme solaire, cette zone entoure la Terre.

La Terre est done a l’heure actuelle dans le systeme solaire, la seule planete candidate a la Vie en surface. Cependant, au debut de l’histoire du systeme solaire, on sait que le Soleil avait une luminosite plus faible (70% de celle actuelle). La presence d’eau liquide est done problematique. On pense que l’atmosphere avait plus de CO2 et done un effet de serre plus important qui permettait d’avoir de l’eau liquide. Ainsi, la notion de zone continuellement habitable qui est uniquement une vision stellaire se chevauche avec la notion d’habitabilite planetaire qui tient compte, entre autre, de la presence d’une atmosphere. Au debut de son histoire, etant donne une atmosphere plus importante, Mars aurait pu etre une planete habitable bien que hors de la zone continuellement habitable.

Fig. 17: Materialisation de la zone continuellement habitable en fonction de la taille de l’etoile et de la distance entre l’etoile et la planete

2     Les arguments geologiques permettant de dater les origines de la Vie

La Vie a du apparaitre sur Terre de facon tres rapide. Nous avons en effet deja vu que l’ocean, bien que chaud, avait du etre present apres la premiere centaine de millions d’annees d’existence de notre planete. Diverses traces laissees par une Vie potentielle permettent de remonter a l’apparition d’une Vie tres tot dans l’histoire de la Terre :

–  Arguments geochimiques : II a ete retrouve dans les roches metamorphiques d’Isua au Groenland des inclusions de graphite. En etudiant la composition isotopique de ce graphite, on constate qu’il est pauvre en ¹³C (—25%o < S¹³C < —6%o). De telles signatures legeres en carbone 13 sont habituellement obervees lors de la photosynthese. On peut done penser que les organismes photsynthetiques auraient pu exister des cette epoque. Les detracteurs de cette theorie lui opposent la contamination possible par de la matiere organique actuelle ou bien encore le fait que les reactions metamorphiques peuvent aussi conduire a des fractionnnements isotopiques similaires.

–  Arguments morphologiques : on retrouve dans des roches datant de 3.5Ga en Australie et en Afrique du Sud des formes qui ressemblent a des filaments bacteriens. Etant donne que ce ne sont que des arguments morphologiques, ces interpretations sont fortement debattues.

–  Arguments sedimentologiques : les stromatolithes, qui sont des constructions realisees par des voiles mi-crobiens, se retrouvent sous forme de fossiles datant de 2.7 a 3.8Ga. Ces traces de Vie sont dans l’ensemble assez acceptees
par la communaute scientifique.

Ainsi, la Vie est apparue sur Terre au maximum moins de 700Ma apres la formation de la Terre. Etant donne l’importance du bombardement tardif, on peut supposer que la Vie est meme apparu tres rapidement en environ lOOMa.

3     Les hypotheses sur I’origine de la Vie sur Terre

La question qui vient done tout naturellement est comment cette Vie est-elle apparue, quelle est son origine ? La encore, plusieurs theories sont echaffaudees :

–  L’origine atmospherique : A l’epoque de Stanley Miller (1952) on pensait que l’atmosphere primitive etait compsee d’H2, CH4, NH3 et H20. Miller realisa done une experience ou il introduisit cette composition atmospherique et sous laquelle il fit bouillir de l’eau et eclater des decharges electriques, analogues d’eclairs que l’on supposait etre abondants dans l’atmosphere terrestre en ces temps recules. Au bout de plusieurs mois de fonctionnement, des reactions entres tous les composes avaient produit de tres nombreuses molecules organiques, dont des acides amines que l’on retrouvait en solution dans l’eau. Si cette experience permettait de produire ces moclecules, on sait maintenant que l’atmopshere primitive ne contenait pas de CH4 et de NH3.

–  L’origine oceanique : Le manteau, principalement consitue d’olivines et de pyroxenes, ou bien des basaltes ont rapidement interagit avec l’eau des oceans. Ce manteau devait etre beaucoup plus chaud que le manteau actuel, des circulations hydrothermales devaient s’etablir, et l’eau devait reagir avec l’olivine et permettre la formation de serpentine et de H2. L’hydrogene ainsi libere peut reagir avec du C02 ou du N2 dissout dans l’eau et former du methane, de l’ammoniac (exemple : AH2 + CO2 —> CH4 + ‘IH^O), qui peuvent ensuite reagir entre eux pour etre a la base d’une synthese de molecules organiques type acides amines ou bases azotees. On peut opposer a cette proposition pour l’origine de la Vie la faible stabilite des molecules d’ARN et d’ADN a haute temperature.

Fig. 18: Schema de l’experience menee par Stanley Miller en 1952

– L’origine extraterrestre : les cometes et les chondrites carbonees contiennent de la matiere organique et celle-ci peut etre plus ou moins complexe. On trouve bien sur de l’eau sous differentes formes mais aussi des molecules organiques que ce soient des acides amines (glycine et alanine par exemple) ou des bases azotees (purine et pyrimidine). Si cette matiere est arrivee sur Terre lors du bombardement tardif, elle pourrait bien avoir aussi un role dans l’origine de la Vie.

4 Comment passer des molecules prebiotiques a la veritable Vie ?

Une fois ces premieres molecules prebiotiques arrivees sur Terre, il a fallu ensuite les polymeriser ce qui n’est pas forcement le plus facile. Certains pensent que les surfaces minerales aurient pu avoir un role important dans ce mecanisme. En effet, les molecules organiques peuvent s’adsorber sur les surfaces de argiles et ainsi etre mises en contact les unes avec les autres permettant ainsi leur polymerisation. Ces argiles, lorsqu’il у a trop d’eau peuvent meme separer les feuillets dont elles sont constituees. Si ce feuillet s’assemble avec un autre feuillet sur lequel il n’y a pas de molecules organiques, celles d’en face vont done se disposer en creant une sequence complementaire : certains pensent que l’origine de la replication pourrait venir de la. D’autres pensent au contraire que le monde a ete au depart uniquement a ARN surtout apres la decouverte d’ARN autocatalytique que sont les ribozymes dans les annees 80.

5 La Vie sur les autres planètes

Fig. 19: Image obtenue au microscope electronique à balayage dans la météorite ALH84001

Etant donné les origines diverses évoquées pour la Vie, notamment celle extraterrestre, et la possibilité d’existence d’eau liquide au sein de cerains corps du système solaire, il n’est pas impossible que la Vie ait existé ou existe ailleurs dans le système solaire. Cette dernière aurait cependant une différence majeure avec celle de la Terre, elle n’est pas visible. On peut notamment signaler que l’existence d’océan liquide dans les

satellites de glace pourrait renfermer de la Vie surtout apres la decouverte de formes bacteriennes dans le lac Vostok situe en Antarctique et qui est situe sous 4000m de glace. La decouverte aussi du quadruplet fossile morphologique + carbonate + matiere organique + magnetite ressemblant a celle produite par les bacteries magnetosensible dans la meteorite martienne ALH84001 ne permet pas d’exclure une vie endogee sur Mars. Enfin, la presence de methane sous forme liquide, gazeuse et solide sur Titan fournirait un analogue de l’eau terrestre dans lequel pourrait ou aurait pu apparaitre la Vie. De plus, la presence d’ammoniac rendrait possible les reactions de Miller et permettrait de creer des molecules prebiotiques.

В La presence de dioxygene et d’une faible quantite de C02 dans I’atmosphere

Nous avons deja evoque l’existence de I’atmosphere terrestre lorsque nous avons explique sa formation. Nous avons aussi mentionne que deux autres planetes telluriques possedent une atmosphere, a savoir Venus et Mars. Cependant, I’atmosphere terrestre a subi une evolution differente de ces deux planetes du fait de la presence d’eau liquide et de la Vie.

1 La composition des atmospheres planetaires

	Venus	Terre	Mars
C02	96%	0,035%	95%
H20	traces	0-4%	traces
N2	3,5%	78,1	3%
02	0	21%	traces
Gaz rares (Ar, Xe…)	traces	~1%	~2%
Pression atmosphèrique (bars)	90	1	0,008

Tab. 3: Comparaison de la composition des atmosphères planètaires

La simple observation du tableau 3 montre que si Venus et Mars ont des compositions atmospheriques similaires, la Terre est quant a elle completement originale. Etant donne la formation commune de ces trois planetes il nous faut expliquer l’origine de ces differences qui est une originalite de la planete Terre.

2 Le piegeage du C02 dans les carbonates et les roches carbonees

Nous savons qu’au debut de l’histoire de I’atmosphere terrestre, celle-ci etait riche en CO2 et en eau. Nous avons aussi vu que l’eau avait rapidement precipite sous la forme d’ocean relativement chaud. La mise en place d’une croute oceanique basaltique a cette epoque a certainement permis de pieger une bonne partie du CO2 atmospherique au sein des oceans par alteration des pyroxenes :

CaSiO3 + CO2 + H2O —> CaCO3 + S1O2 + H2O

Apres l’apparition de la Vie, la photosynthese a pu aussi pieger une partie du CO2 sous forme de carbone organique. Si ce carbone organique est enfoui sans degradation, alors le CO2 se retrouve piege dans les couches sedimentaires sous forme de roches carbonees telles que le petrole et le charbon. Enfin, la creation des tests/squelettes des etres vivants, notamment les organismes aquatiques tels que les foramminiferes, les coccolithophoridees ou bien encore les coraux ont permis de deplacer l’equilibre de precipitation des carbonates vers la droite par leur consommation de CO2 au cours de la photosynthese par exemple.

Сa ⁺ + 2HCO3 ^– —>СаСОз + CO2 + H2O

Ces differents phenomenes permettent done d’expliquer la forte diminution de la quantite de CO2 au cours des temps geologiques ainsi que son faible taux compare aux autres planetes telluriques. La deuxieme originalite de la composition atmospherique de la Terre est la presence de dioxygene.

Etant donne que les carbonates font partie des mineraux temoignant soit de la presence d’eau liquide, soit de reaction de type photosynthetique, ils sont activement recherches sur les autres planetes. A l’heure actuelle, seuls des resultats tres controverses ont ete apportes pour Mars montrant que de la poussiere de carbonates est presente par certains endroits. Enfin, les carbonates presents dans la meteorite ALH84001 semblent etre dus a l’alteration terrestre et done non originaires de Mars.

3 La formation du dioxygene

Le dioxygene est intimement lie a la presence de Vie sur Terre. Nous avons deja discute de ce mecanisme qu’est la photosynthese au paragraphe precedent en precisant qu’il consomme du CO2 et permet la formation de matiere carbonee. L’un des dechets de cette photosynthese est justement le dioxygene qui constitue 21% de notre atmosphere planetaire. Ce dioxygene a permis l’emergence de Vie aerobie qui utilise a son tour ГО2 comme source de pouvoir
oxydant. On peut resumer le bilan de la photosynthese par la reaction suivante :

6CO2 + 6H2O —> C6H12O6 + 6O2

Ainsi, il est aussi important de savoir quand la photosynthese est apparue. Les premiers arguments geochim-iques montrant des bassins localement oxydants et done pouvant potentiellement resulter d’une activite photosynthetique ont ete trouve dans des sediments du Groenland : il s’agit d’anomalies isotopiques en carbone (voir 2) et en plomb. Cependant, ces interpretations sont sujettes a debat.

Par contre, la presence de BIF (Banded Iron Formation ou Fers rubanes) dates de 2.7Ga temoigne du passage d’un ocean reduit a un ocean oxydant et done a un evenement d’oxydation generalise : une grande quantite de fer reduit a pu etre accumulee dans les oceans avant 2.7Ga a cause de l’absence d’02 ; des que le dioxygene est apparu massivement, celui-ci a pu precipiter sous forme de BIFs. Par ailleurs, ces resultats sont continues par des etudes realisees sur les isotopes du soufre qui montrent un changement de fractionnnement isotopique. Cette modification serait a relier a l’apparition de la couche d’ozone, issue de reaction impliquant le dioxygene. En effet, les sulfures et les sulfates peuvent etre dissocies par les rayons UV. Des la mise en place de la couche d’ozone, cette dissociation devient impossible et le fractionnnement isotopique s’en trouve modifie puisque les mecanismes changent.

Fig. 20: Evolution de la quantité de dioxygène dans l’atmosphère terrestre

Par ailleurs, on peut mentionner que la mise en place de cette couche d’ozone qui arrete les UVs a permis la sortie des eaux et la conquete des milieux terrestres

С Des plaques lithospheriques a croute partiellement granitique animees d’une tectonique

1 Quelques arguments en faveur de la tectonique des plaques

La derive des continents, prelude a la theorie de la tectonique des plaques a ete introduite par Alfred Wegener. Celui-ci avait en effet remarque que les cotes de l’Amerique du Sud et de l’Afrique pouvaient s’emboiter et qu’il existait certaines continuites geologiques entre les deux continents. Par ailleurs, l’existence d’espece fossiles (le glossopteris qui est une fougere fossile presente sur tous les continents ou le Mesosaure qu’on retrouve en Amerique du Sud et en Afrique par exemple) sur differents continents a l’heure actuelle separes a confirme cette theorie. En 1962, Hess postula que l’origine de cette tectonique etait la creation de plancher oceanique

Fig. 21: Subdivision de la Terre en plaques lithospheriques

au niveau des dorsales medio-oceaniques a la maniere d’un tapis roulant. En 1963, Vine et Matthews, par la mesure d’anomalies du champ magnetique enregistrees dans les basaltes confirma cette proposition.

La Terre est decoupee en plaques lithospheriques qui sont des calottes d’environ 100 km d’epaisseur et qui sont limitees lateralement par des zones actives. Le decoupage s’est fait en remarquant que la deformation et les manifestations telluriques (seismes et volcanismes) sont concentrees en certains endroits de l’ecorce terrestre qu’on considere comme etant ces frontieres de plaques.

2 Tectonique des plaques, convection mantellique et comparaison aux autres planetes

L’origine de cette tectonique des plaques provient de la dissipation de la chaleur terrestre (essentiellement generee par radioactivite). La quantite d’energie disponible est globalement fonction de la taille de la planete. Ainsi, la tectonique des plaques ne devrait pas etre une originalite terrestre : Venus devrait aussi presenter une telle dynamique. Tout d’abord, rappelons que le transport de la chaleur terrestre est realisee au sein du manteau par convection. Cette convection peut prendre differentes formes sur Terre : une convection sous forme de cellule dont la partie descendante est materialisee par les zones de subduction (cette convection tient son origine d’un refroidissement par le haut et un chauffage diffus dans le manteau par radioactivite) et une convection plus modeste sous forme de panache due a un chauffage faible par le bas (evacuation de la chaleur en provenance du noyau). On comprend done que la presence de plaques a la surface de la Terre gouverne done le type de convection : essentiellement des cellules et quelques panaches.

Cette convection en cellules est due a la possibilite d’un decouplage mecanique entre la lithosphere et l’asthenosphere : la lithosphere est rigide alors que l’asthenosphere est ductile. L’asthenosphere est done capable de convecter contrairement a la lithosphere qui ne peut qu’etre cassante. On touche la encore a une originalite de la Terre. En effet, la presence d’eau modifie fortement le comportement des roches, notamment leur viscosite. En l’occurrence, l’existence d’eau dans le manteau terrestre a tendance a diminuer sa viscosite contrairement a la lithosphere. On obtient ainsi une difference de deux ordres de grandeurs au niveau de la viscosite qui permet de creer ce decouplage.

Sur Mercure, la planete est semble-t-il trop petite pour avoir eu une tectonique. Sur Mars, on ne peut pas veritablement parler de tectonique puisqu’on ne constate que quelques volcans да et la. Le Dome Tharsis, qui est le champ de volcans martiens le plus important resulte sans doute de l’action d’un point chaud. Dans tous les cas, il n’y a pas de plaque. Reste Venus, que nous pouvons considerer de plus en plus comme une soeur de la Terre. Cette derniere presente des volcans actifs un peu partout a la surface. Cependant, ces volcans sont repartis de fagon aleatoire contrairement aux alignements qui existent sur Terre et qui forme certaines bordures de plaques.

On peut proposer deux raisons pour lesquelles il n’y a pas de tectonique des plaques sur Venus :

–  Nous avons deja precise que l’eau etait completement absente de Venus. Le manteau n’est done pas hydrate et il n’y a pas de decouplage possible entre une lithosphere rigide et une asthenosphere ductile empechant ainsi l’individualisation verticale de plaques.

–  Par ailleurs, la temperature de surface de Venus etant d’environ 470°C, la lithosphere doit done etre moins visqueuse et plus ductile. La deformation peut done etre accomodee de fagon plastique et non cassante

Fig. 22: Effet de l’eau sur la viscosite des materiaux terrestres et decouplage lithosphere asthenosphere

Fig. 23: Repartition des volcans a la surface de Venus obtenus grace aux image de MAGELLAN. Meme si on note differents types d’edifice (signifiés par les difierents symboles), aucun ne semble caracteristique d’une tectonique des plaques

comme à la surface de la Terre. On constate en effet par endroit des reliefs qui proviennent du mouvement de convergence de la lithosphère vénusienne et des zones volcaniques qui par endroit proviennent de mouvement de divergence. Enfin, la répartition des volcans laissent penser que la convection est là encore de type point chaud.

Une tectonique des plaques sur Encelade ?Encelade est un des satellites de Saturne. Malgre sa faible taille, il presente une activite tectonique importante. L’hemisphere Nord est constitue principalement de terrains craterises et done anciens. L’hemisphere Sud n’est que peu craterise et est done jeune. Pres du pole Sud, une zone circulaire centree sur le pole et s’etendant approximativement a l’interieur du parallele —60° lat. Sud est occupee par des terrains sans cratere d’impact : e’est la zone des ■ rayures de tigre ■. Ces rayures de tigres correspondent a des fractures (nominees sulcus) par ou s’echappent des jets de vapeurs d’eau riches en matiere organique. Cette zone des rayures de tigre est ceinturee d’une chaine de montagnes dites circumpolaires. Par analogie avec la Terre, les geologues de la NASA ont interprete ces zones de volcanisme aquatique comme etant des vallees axiales bordees par des zones plus montagneuses qui pourraient constituer la dorsale. Encelade pourrait done presenter une tectonique des plaques a lithosphere glacee.

3 Une croute granitique sur Terre

Lorsqu’on
regarde la repartition des elevations des differentes planetes telluriques on constate que la Terre presente une courbe bimodale qui peut suggerer une difference de petrologie et chimie entre des reliefs negatifs et des reliefs positifs. A l’oppose, Venus ne presente qu’une courbe de type normale (au sens mathematique) et Mars une courbe assez applatie.

Fig. 24: Repartition de l’elevation des terrains sur Venus, la Terre et Mars

De plus, lorsqu’on regarde la chimie des surfaces de ces planetes, on constate une difference de taille : sur Terre, il existe une croute dite continentale d’affinite chimique granitique alors que la croute de Venus est exclusivement basaltique et celle de Mars essentiellement basaltique aussi avec quelques depots sedimentaires. Ainsi, la Terre a aussi une croute originale. Cette croute s’est essentiellement mise en place a l’Archeen vers 2.5 a 3Ga. Cependant les premieres traces de croute granitique remonte a 4Ga comme en temoignent des inclusions de quartz a l’interieur de zircons dates de cette epoque.

La mise en place de la croute continentale granitique a ete permise par la tectonique des plaques : a l’archeen, le gradient geothermique etait plus eleve (atteste par des assemblages sapphirine+quartz temoignant de temperature de 900°C a 60km de profondeur + l’existence et la chimie des komatiites qui temoignent d’un manteau plus chaud) et permettait la fusion de la croute oceanique hydratee. La fusion de cette croute hydratee permet la genese de magma de type TTG qui ont des compositions chimiques et mineralogiques voisines de celles des granites actuels.

Conclusion

La planete Terre partage une origine commune avec l’ensemble des planetes du systeme solaire. Les grandes lignes de sa formation ont ete les memes que ses voisines telluriques a savoir une accretion de corps chondri-tiques, une fusion partielle due a la grande quantite d’elements radioactifs qui a mene a une differenciation en enveloppes concentriques : noyau-manteau-atmosphere et hydrosphere. Cependant, une premiere originalite a ete mise en place au cours de cette differenciation, a savoir l’impact geant qui forma son satellite, la Lune, qui permet de stabiliser certains parametres orbitaux de la Terre. La position de la Terre dans le systeme solaire a permis l’apparition d’eau liquide en surface ce qui a conduit a la mise en place d’originalites par rapport aux autres planetes. Grace a cette eau, la Vie a pu se developper, une tectonique des plaques unique dans le systeme solaire s’est mise en place et enfln l’atmosphere s’en est trouvee profondemment modifiee. La Vie a en retour conduit a la formation de nouvelles originalites comme l’apparition du dioxygene dans l’atmosphere. En plus de permettre le developpement de Vie aerobie, ce dioxygene a participe a la formation de la couche d’ozone qui couplee a Faction protectrice d’un champ magnetique intense a permis la sortie des eaux et la colonisation du milieu aerien.

Ce sont ces caracteristiques uniques qui conditionnent l’existence de la Vie et done la possibilite de Vie extra-terrestre. Ainsi, les observations en direction des exoplanetes se font de plus en plus actives et la decouverte d’une ou des originalites que nous avons presentees, particulierement celles liees a la presence d’eau, permettront peut-etre de repondre un jour a la question “Sommes nous seuls dans l’Univers ?”.