Comment Mercure a fabriqué sa croûte de graphite et son noyau

Une série de travaux menés par des chercheurs de l’Université de Liège et de la KU Leuven apporte un nouvel éclairage sur les premiers stades de l’évolution de la planète la plus proche du Soleil. Grâce à la pétrologie expérimentale, les chercheurs reconstruisent en laboratoire la formation de son noyau, la cristallisation de son océan magmatique et la naissance de son manteau.

Les planètes terrestres (Mercure, Vénus, la Terre, Mars) résultent de plus de quatre milliards d'années d'évolution, amorcée par l'accrétion à partir du disque entourant le jeune Soleil. Durant les premiers stades d’évolution, la chaleur dégagée a fait fondre ces planètes, créant ce que l'on appelle un océan magmatique. Cette étape clé fixe la répartition des éléments entre le noyau métallique et le manteau. En cristallisant, cet océan structure le manteau, dont la fusion partielle engendrera ensuite les magmas formant la croûte. C'est aussi à ce stade que peut apparaître une première atmosphère.

À ce jour, aucun échantillon n'a été prélevé sur Mercure et aucune météorite n'a pu y être rattachée. Notre connaissance de sa composition repose donc sur les observations de télescopes et sur les données des sondes américaines Mariner 10 (1973) et MESSENGER (2011). Mais afin de reconstruire l'histoire de la planète, les scientifiques ont recours à une discipline particulière : la pétrologie expérimentale. Cette branche de la géologie permet aux scientifiques de reproduire, en laboratoire, les températures, pressions et conditions chimiques qui régnaient à l'intérieur de la planète il y a plus de quatre milliards d'années, puis analyser les minéraux, métaux et gaz qui constituent les différentes couches de la planète.

C’est en ayant recours à ces techniques que les équipes de Bernard Charlier (ULiège) et Olivier Namur (KULeuven) ont réalisé une large série d'expériences à haute pression et à haute température (entre 1 250 et 2 170 °C environ)  et jusqu'à des pressions équivalentes à celles régnant très profondément dans la planète, afin de simuler et suivre le comportement du carbone lors de la séparation entre le métal du noyau et le magma silicaté du manteau.

Un carbone qui change de camp selon les conditions...

Les équipes ont pu déduire des résultats obtenus que le comportement du carbone dépendait fortement de l'état d'oxydation du milieu, mesuré par la fugacité d'oxygène (fO₂). "Dans des conditions relativement oxydantes, le carbone est fortement sidérophile, explique  Bernard Charlier, géologue et Maître de recherches F.R.S.-FNRS à l'ULiège. c'est-à-dire que la carbone préfère le métal et entre donc dans le noyau. Mais dans les conditions très réduites propres à Mercure, il devient beaucoup moins sidérophile (attiré par le métal), il reste alors dans le magma silicaté, où il finit par cristalliser sous forme de graphite."

À partir de ces expériences, l'équipe a reconstitué la façon dont le carbone s'est réparti entre le noyau, le manteau, la croûte et l'atmosphère primitive de Mercure. En comparant ses résultats à l'épaisseur de la croûte de graphite calculée sur base des données de la sonde MESSENGER, elle a pu déterminer les conditions qui régnaient lors de la formation de la planète, sans doute un milieu extraordinairement pauvre en oxygène.

... et une croûte de graphite née par flottaison

"Sous ces conditions extrêmes, le graphite est trop léger pour couler, il flotte à la surface de l'océan magmatique et s'accumule pour former une croûte primitive, ajoute Olivier Namur, lui aussi géologue. Le modèle reproduit une croûte de graphite d'environ 40 à 120 mètres d'épaisseur, en accord avec la couche riche en carbone (1 à 3 % en masse) que les observations attribuent à la surface de Mercure." Cette croûte primordiale aurait ensuite été disloquée et redistribuée par les impacts de météorites et par le volcanisme qui a construit la croûte plus récente de la planète.

Les données géodésiques de MESSENGER indiquent également que le noyau, exceptionnellement gros (environ 70 % de la masse de la planète), doit contenir plusieurs pour cent d'éléments légers pour expliquer son déficit de densité. "Le carbone avait été proposé comme candidat, reprend Olivier Namur. Or, dans les conditions qui permettent justement de former la croûte de graphite, l'étude montre que le noyau reste pauvre en carbone, moins de 5 000 microgrammes par gramme, soit moins de 0,5 %. Une telle teneur est bien trop faible pour rendre compte du déficit observé."

Ce sont donc surtout le silicium et, dans une moindre mesure, le soufre qui doivent constituer les éléments légers du noyau. Ces éléments présentent une autre propriété qui est d’abaisser nettement la température de fusion du fer, ce qui pourrait expliquer pourquoi le noyau de Mercure est resté au moins partiellement liquide pendant 4,5 milliards d'années, une caractéristique nécessaire pour entretenir son champ magnétique.

En reliant la réduction chimique extrême de Mercure à la fois à sa croûte de graphite et à la structure de son noyau, ces travaux fournissent un cadre utile pour comprendre d'autres corps très réduits : la proto-Mercure d'origine, plus massive, les hypothétiques "super-Mercures", certaines exoplanètes riches en carbone, mais aussi la jeune Terre, qui s'est en grande partie construite à partir de matériaux réduits. "De futures observations, notamment par des missions telles que BepiColombo, pourraient confirmer et quantifier le graphite comme phase majeure à la surface de Mercure, conclu Bernard Charlier."

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