Une nouvelle recherche de l'Université du Texas à Austin ajoute des preuves à une théorie selon laquelle les noyaux métalliques de planètes rocheuses comme la Terre se sont formés lorsque du métal en fusion piégé entre des grains de roche silicatée a percolé jusqu'au centre de la planète au début de sa formation. Crédit :UT Austin
Les scientifiques se demandent depuis longtemps comment les corps rocheux du système solaire, y compris notre propre Terre, ont obtenu leurs noyaux métalliques. Selon des recherches menées par l'Université du Texas à Austin, des preuves indiquent la percolation vers le bas du métal en fusion vers le centre de la planète à travers de minuscules canaux entre les grains de roche.
La découverte remet en question l'interprétation d'expériences et de simulations antérieures qui cherchaient à comprendre comment les métaux se comportent sous une chaleur et une pression intenses lorsque les planètes se forment. Les résultats antérieurs suggèrent que de grandes portions de métaux en fusion sont restées piégées dans des pores isolés entre les grains. En revanche, la nouvelle recherche suggère qu'une fois que ces pores isolés deviennent suffisamment gros pour se connecter, le métal en fusion commence à couler, et la plus grande partie est capable de percoler le long des joints de grains. Ce processus laisserait le métal couler à travers le manteau, s'accumuler au centre, et forment un noyau métallique, comme le noyau de fer au cœur de notre planète natale.
"Ce que nous disons, c'est qu'une fois le réseau de fusion connecté, il reste connecté jusqu'à ce que presque tout le métal soit dans le noyau, " a déclaré le co-auteur Marc Hesse, professeur agrégé à l'UT Jackson School of Geosciences Department of Geological Sciences, et membre de l'Institute for Computational Engineering and Sciences de l'UT.
La recherche a été publiée le 4 décembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Le travail était la thèse de doctorat de Soheil Ghanbarzadeh, qui a obtenu son doctorat. alors qu'il était étudiant au département d'ingénierie du pétrole et des géosystèmes de l'UT (maintenant le département d'ingénierie du pétrole et des géosystèmes de Hildebrand). Il travaille actuellement comme ingénieur réservoir chez BP America. Soheil a été conseillé conjointement par Hesse et Maša Prodanovic, professeur agrégé au département Hildebrand et co-auteur.
Les planètes et les planétésimaux (petites planètes et gros astéroïdes) sont formés principalement de roches silicatées et de métal. Une partie du processus de formation de la planète implique la séparation de la masse initiale de matériau en un noyau métallique et une coquille de silicate composée du manteau et de la croûte. Pour que la théorie de la percolation de la formation du noyau fonctionne, la grande majorité du métal dans le corps planétaire doit se frayer un chemin vers le centre.
Dans cette étude, Ghanbarzadeh a développé un modèle informatique pour simuler la distribution du fer fondu entre les grains de roche en tant que porosité, ou fraction fondue, augmenté ou diminué. Les simulations ont été réalisées au Texas Advanced Computing Center. Les chercheurs ont découvert qu'une fois que le métal commence à couler, il peut continuer à s'écouler même si la fraction fondue diminue de manière significative. Cela contraste avec les simulations précédentes qui ont montré qu'une fois que le métal commence à couler, il suffit d'un petit creux dans le volume de fonte pour que la percolation s'arrête.
Images de réseaux de fonte dans des grains irréguliers (a) utilisés dans une étude de l'Université du Texas à Austin et de réseaux de fonte dans des grains réguliers (b) utilisés dans des études précédentes. Leurs simulations montrent que l'irrégularité des grains favorise la connectivité de la fonte. Crédit :UT Austin
"Les gens ont supposé que vous vous déconnectiez à la même fraction de fusion à laquelle vous vous êtes connecté initialement … et cela laisserait des quantités importantes de métal derrière, " a déclaré Hesse. "Ce que nous avons découvert, c'est que lorsque la fonte métallique se connecte et lorsqu'elle se déconnecte, ce n'est pas nécessairement la même chose."
Selon le modèle informatique, seulement 1 à 2 pour cent du métal initial serait piégé dans le manteau de silicate lorsque la percolation s'arrête, ce qui est cohérent avec la quantité de métal dans le manteau terrestre.
Les chercheurs soulignent la disposition des grains de roche pour expliquer les différences dans la façon dont les espaces entre les grains sont bien connectés. Les travaux antérieurs utilisaient un motif géométrique régulier, grains identiques, alors que ce travail reposait sur des simulations utilisant une géométrie de grain irrégulière, qui est censé refléter plus étroitement les conditions de la vie réelle. La géométrie a été générée à l'aide des données d'un échantillon de titane polycristallin qui a été scanné par microtomographie à rayons X.
"Le modèle numérique développé par Soheil dans sa thèse de doctorat a permis pour la première fois de trouver des réseaux de fonte tridimensionnels de toute complexité géométrique, " a déclaré Prodanovic. " Disposer d'un modèle tridimensionnel est essentiel pour comprendre et quantifier le fonctionnement du piégeage de la masse fondue. "
L'effort a porté ses fruits car les chercheurs ont découvert que la géométrie a un effet important sur la connectivité de la fonte. Dans les grains irréguliers, les canaux de fusion varient en largeur, et les plus gros restent connectés même si la majeure partie du métal s'écoule.
"Ce que nous avons fait différemment ici, c'est d'ajouter un élément de curiosité pour voir ce qui se passe lorsque vous drainez la fonte du poreux, roche ductile, ", a déclaré Ghanbarzadeh.
Les chercheurs ont également comparé leurs résultats à un réseau de fonte métallique conservé dans une météorite d'anchondrite, un type de météorite provenant d'un corps planétaire qui s'est différencié en couches discernables. Les images aux rayons X de la météorite prises dans l'installation CT à rayons X à haute résolution de la Jackson School ont révélé une distribution des métaux comparable aux réseaux de fonte calculés. Prodanovic a déclaré que cette comparaison montre que leur simulation capture les caractéristiques observées dans la météorite.
