La congélation d’un océan de magma “gluant” a conduit à la formation de la croûte lunaire

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Molten Magma Pool
Bassin de magma fondu

Concept d’artiste de l’océan de magma.

Les scientifiques ont montré comment la congélation d’un océan de magma “visqueux” peut être responsable de la composition de la croûte lunaire.

Les scientifiques, de l’Université de Cambridge et de l’Ecole normale supérieure de Lyon, ont proposé un nouveau modèle de cristallisation, où les cristaux sont restés en suspension dans le magma liquide pendant des centaines de millions d’années alors que la “neige fondue” lunaire gelait et se solidifiait. Les résultats sont publiés dans la revue Geophysical Review Letters.

Il y a plus de cinquante ans, les astronautes d’Apollo 11 ont recueilli des échantillons des hautes terres lunaires. Ces grandes régions pâles de la Lune – visibles à l’œil nu – sont constituées de roches relativement légères appelées anorthosites. Les anorthosites se sont formées tôt dans l’histoire de la Lune, il y a entre 4,3 et 4,5 milliards d’années.

Des anorthosites similaires, formées par la cristallisation du magma, peuvent être trouvées dans des chambres magmatiques fossilisées sur Terre. Cependant, la production des grands volumes d’anorthosite trouvés sur la Lune aurait nécessité un énorme océan magmatique mondial.

Les scientifiques pensent que la Lune s’est formée lorsque deux protoplanètes, ou mondes embryonnaires, sont entrées en collision. La plus grande de ces deux protoplanètes est devenue la Terre, et la plus petite, la Lune. L’un des résultats de cette collision a été que la Lune était très chaude – si chaude que tout son manteau était constitué de magma en fusion, ou d’un océan magmatique.

“Depuis l’ère Apollo, on pense que la croûte lunaire a été formée par des cristaux légers d’anorthite flottant à la surface de l’océan magmatique liquide, les cristaux plus lourds se solidifiant au fond de l’océan”, explique Chloé Michaut, co-auteur, de l’École normale supérieure de Lyon. “Ce modèle de ‘flottaison’ explique comment les Hautes Terres lunaires ont pu se former”.

Cependant, depuis les missions Apollo, de nombreuses météorites lunaires ont été analysées et la surface de la Lune a été largement étudiée. Les anorthosites lunaires semblent plus hétérogènes dans leur composition que les échantillons originaux d’Apollo, ce qui contredit un scénario de flottaison où l’océan liquide est la source commune de toutes les anorthosites.

La gamme d’âges des anorthosites – plus de 200 millions d’années – est difficile à concilier avec un océan de magma essentiellement liquide dont le temps de solidification caractéristique est proche de 100 millions d’années.

“Compte tenu de la gamme d’âges et de compositions des anorthosites sur la Lune, et de ce que nous savons sur la façon dont les cristaux se déposent dans le magma en cours de solidification, la croûte lunaire doit s’être formée par un autre mécanisme”, a déclaré le co-auteur, le professeur Jerome Neufeld, du département de mathématiques appliquées et de physique théorique de Cambridge.

Michaut et Neufeld ont développé un modèle mathématique pour identifier ce mécanisme.

Dans la faible gravité lunaire, la décantation des cristaux est difficile, en particulier lorsqu’ils sont fortement remués par l’océan magmatique en convection. Si les cristaux restent en suspension sous la forme d’une bouillie de cristaux, lorsque la teneur en cristaux de la bouillie dépasse un seuil critique, la bouillie devient épaisse et collante, et la déformation lente.

Cette augmentation de la teneur en cristaux se produit de manière plus spectaculaire près de la surface, où l’océan de magma visqueux est refroidi, ce qui donne un intérieur visqueux chaud et bien mélangé et un “couvercle” lunaire riche en cristaux qui se déplace lentement.

Nous pensons que c’est dans ce “couvercle” stagnant que la croûte lunaire s’est formée, lorsque de la fonte légère enrichie en anorthite a percolé à partir de la boue cristalline convective située en dessous”, a déclaré Neufeld. “Nous suggérons que le refroidissement de l’océan magmatique primitif a entraîné une convection si vigoureuse que les cristaux sont restés en suspension sous forme de bouillie, un peu comme les cristaux dans une machine à slushy.”

Les roches enrichies de la surface lunaire se sont probablement formées dans des chambres magmatiques à l’intérieur du couvercle, ce qui explique leur diversité. Les résultats suggèrent que l’échelle de temps de la formation de la croûte lunaire est de plusieurs centaines de millions d’années, ce qui correspond aux âges observés des anorthosites lunaires.

Le magmatisme en série a été initialement proposé comme un mécanisme possible pour la formation des anorthosites lunaires, mais le modèle slushy réconcilie finalement cette idée avec celle d’un océan magmatique lunaire global.

Référence : “Formation of the lunar primary crust from a long-lived slushy magma ocean” 13 janvier 2022, Geophysical Research Letters.
DOI : 10.1029/2021GL095408

Cette recherche a été soutenue par le Conseil européen de la recherche.

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