L'origine des éléments volatils, tels que l'eau, le carbone et l'azote sur les planètes telluriques est encore largement débattue. De par leur caractère inerte, les gaz rares (He, Ne, Ar, Kr et Xe) constituent des traceurs uniques des sources envisagées pour les éléments volatils (comme les comètes, le vent solaire ou les météorites). Déterminer la composition isotopique et élémentaire en gaz rares de la Terre peut donc permettre de mieux appréhender leur origine.
Image 3D d'un échantillon de verre volcanique de Fernandina (Galápagos) obtenue par microtomographie aux rayons X. L'image du bas est une coupe de l'échantillon où les bulles ainsi que les micro-fractures apparaissent en blanc, la matrice en gris clair et quelques cristaux dans différentes teintes de gris. / Copyright © Sandrine Péron, IPGP 2017 Le manteau inférieur étant un réservoir de gaz rares primitifs, plusieurs études ont estimé sa composition, notamment en néon et en argon, afin de comprendre l'origine des éléments volatils. Deux modèles ont alors été proposés: l'implantation du vent solaire sur des poussières au début de la formation du système solaire et la dissolution du gaz de la nébuleuse solaire dans un océan de magma d'une Terre primitive. Cependant, les analyses de toutes ces études sont sujettes à la contamination atmosphérique des échantillons, rendant impossible une interprétation claire des résultats. En effet, les échantillons sont très souvent contaminés par l'air au niveau de micro-fractures: en analysant les échantillons en entier (en les broyant par exemple), le signal mantellique contenu dans les bulles se mélange à l'air contenu dans les micro-fractures.
Dans cette étude, un nouveau protocole a donc été mis en place, l'ablation laser. Celui-ci consiste à analyser un échantillon bulle par bulle afin de s'affranchir de la contamination atmosphérique et nous avons réussi à diminuer au maximum les blancs analytiques. Des échantillons issus du point chaud des Galápagos ont été sélectionnés pour analyser l'hélium, le néon et l'argon. Afin de percer les bulles, celles-ci ont au préalable été repérées par microtomographie aux rayons X, technique d'imagerie en trois dimensions non destructive. Les images ainsi acquises permettent d'identifier les fractures, les bulles qui sont intactes mais aussi celles qui sont connectées à des fractures et de calculer leurs volumes. Ainsi, la microtomographie se révèle être un précieux outil pour l'analyse des gaz rares par ablation laser.
Implantation du vent solaire sur une surface lunaire. / Copyright © Joël Dyon, IPGP 2017 Des précisions remarquables ont été obtenues sur les rapports isotopiques mesurés, en particulier pour les rapports 20Ne/22Ne et 38Ar/36Ar. Ces nouveaux résultats supportent le modèle d'implantation du vent solaire pour expliquer l'origine des gaz rares légers sur Terre. Ce scénario implique qu'une partie des éléments volatils, comme l'eau, aurait été implantée directement dans des grains au début de la formation du système solaire. L'implantation du vent solaire est un phénomène de surface qui joue sur les premières centaines de nanomètres des grains de la nébuleuse solaire situés relativement proche du Soleil. Certains éléments volatils auraient donc été présents dans les corps parents de la Terre.