Les origines nucléaires des gaz nobles de la Terre

L'atmosphère terrestre contient une famille particulière d'éléments connus comme les gaz nobles : hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon. Ces gaz sont définis par leur profonde inerte chimique et leur mdash; ils se lient rarement avec d'autres atomes et restent à l'écart des réactions chimiques qui forment la plupart de notre monde. Pendant des décennies, leur présence même a posé un puzzle.

La réponse n'est pas dans la chimie de surface, mais dans le pouls lent et constant de la décomposition nucléaire qui se produit dans les profondeurs de la croûte et du manteau de la Terre. La décomposition alpha, en particulier, apparaît comme un mécanisme central pour produire plusieurs gaz nobles et mdash; plus particulièrement l'hélium et l'argon et mdash; au-delà du temps géologique.

Qu'est-ce qu'Alpha Decay ?

La désintégration alpha est un type de désintégration radioactive dans lequel un noyau atomique instable éjecte une particule composée de deux protons et de deux neutrons— essentiellement un noyau d'hélium-4. Cette émission réduit le nombre d'éléments et dersquo;s atomiques d'origine par deux et son nombre de masse par quatre, le transmutant en un élément différent.

La particule alpha émise est porteuse d'énergie cinétique importante, généralement dans la gamme de 4–9 mégaélectrons. Lorsqu'elle traverse la roche ou le fluide environnant, elle perd progressivement de l'énergie par des interactions avec les électrons, se redonnant éventuellement. Une fois arrêtée, la particule alpha capture deux électrons ambiants et devient un atome neutre d'hélium-4.

L'uranium et le thorium sont présents dans la croûte terrestre à des concentrations moyennes d'environ 2,7 ppm et 9,6 ppm, respectivement. Au fil des ans, le nombre cumulatif de désintégrations alpha a été stupéfiant et la production d'hélium en résultant a été suffisamment importante pour représenter une grande fraction de l'hélium présent dans les gisements de gaz naturel et dans l'atmosphère.

L'inventaire des gaz nobles de l'atmosphère terrestre

Avant d'examiner le rôle spécifique de la désintégration alpha, il est utile de comprendre ce que contient l'atmosphère moderne. Les gaz nobles apparaissent dans les fractions de volume approximatives suivantes:

  • Argon – 0,934 % (9 340 ppm), ce qui en fait le troisième gaz le plus abondant dans l'air sec après l'azote et l'oxygène
  • Neon – 18,2 ppm
  • Hélium – 5,24 ppm
  • Krypton – 1,14 ppm
  • Xénon – 0,087 ppm
  • Radon – concentrations de traces (variables, en général parties par quintillion)

Ces abondances ne sont pas des restes primitifs de la formation de la Terre. L'inventaire original de gaz noble hérité de la nébuleuse solaire a été largement perdu lors des premières étapes violentes de l'accrétion et de l'impact de formation de la Lune. Ce que nous observons aujourd'hui est une atmosphère secondaire et de la mdasch; une construction en grande partie par l'exténuation de la Terre solide, l'activité volcanique et, surtout, la décomposition radioactive des éléments dans la croûte et le manteau.

Alpha Decay comme usine de gaz noble

La décomposition alpha contribue le plus directement à la production d'hélium-4, mais elle participe aussi à des chaînes de décomposition plus larges qui génèrent d'autres isotopes nobles. Pour voir comment, nous devons tracer les voies de décomposition des trois séries radioactives à longue durée de vie.

La série Uranium

L'uranium-238 se décompose par une chaîne de 14 étapes qui comprend huit pourritures alpha et six pourritures bêta, produisant finalement un plomb stable-206. Chaque émission alpha le long de cette chaîne produit un atome d'hélium-4. Il en va de même pour l'uranium-235, qui se décompose en plomb-207 par une chaîne de 7-alphas, et le thorium-232, qui se décompose en plomb-208 par une chaîne de 6-alphas.

Si nous intégrons l'hélium total dans toute la durée de vie de la Terre, il est immense de produire l'hélium total de ces trois chaînes de décomposition. Les modèles actuels estiment que la croûte continentale produit à elle seule environ 2–3 × 106 kilogrammes d'hélium radiogénique chaque année.

Potassium-40 et Argon-40

L'argon-40, isotope dominant de l'argon atmosphérique, provient d'un procédé nucléaire différent, et de la désintégration des électrons dans le potassium-40. Il ne s'agit pas d'une désintégration alpha, mais il appartient à la même famille de mécanismes de production radiogénique et est indissociable de toute discussion sur les gaz nobles dans l'atmosphère terrestre.

Le potassium-40 a une demi-vie de 1,25 milliard d'années et environ 11 % de ses pourritures se font par capture d'électrons vers l'argon-40, tandis que le reste subit une pourriture bêta vers le calcium-40. La teneur en potassium de la croûte terrestre, qui est d'environ 2,1 % en poids dans les roches continentales, est si élevée que cette seule voie de pourriture a produit essentiellement tout l'argon-40 présent dans l'atmosphère.

Cette production radiogénique explique la caractéristique la plus frappante des gaz nobles atmosphériques: l'argon est beaucoup plus abondant que tout autre gaz noble, malgré son poids plus lourd que le néon. Sans l'horloge de décomposition potassique-40, l'atmosphère de la Terre et des squo contiendrait moins de 10 ppm d'argon au lieu de près de 1%.

Fission et gaz lourds

Bien que la décomposition alpha ne produise pas directement ces éléments, la fission spontanée de l'uranium-238 et, dans une moindre mesure, le thorium-232 génère un spectre plus large de produits de fission qui inclut des isotopes du krypton et du xénon. De plus, la spallation des rayons cosmiques dans la haute atmosphère produit le néon-21 et l'hélium-3.

Pour le krypton et le xénon, la production terrestre par fission ne représente qu'une petite fraction de leur stock atmosphérique actuel. La majorité semble avoir été livrée par des comètes et des astéroïdes au cours du bombardement lourd tardif il y a environ quatre milliards d'années, avec des contributions radiogéniques et fissigènes ajoutant une signature isotopique distincte que les géochimistes utilisent pour tracer l'histoire volatile de la Terre.

Le radon, le gaz noble le plus lourd, se distingue. Il est produit en continu par la décomposition alpha dans la chaîne de désintégration de l'uranium et dans le mdash; spécifiquement à partir du radium 226. Le radon 222 a une demi-vie de seulement 3,8 jours, donc il ne s'accumule jamais; il s'écoule du sol dans les sous-sols et les eaux souterraines, ce qui présente un danger pour la santé dans les régions où le substratum riche en uranium est riche.

De la roche à l'atmosphère : l'histoire de la migration

La production de gaz nobles par décomposition alpha n'est que la moitié de l'histoire. Ces atomes doivent alors échapper à leurs hôtes minéraux et se déplacer à la surface. Cette migration dépend d'une combinaison de processus physiques qui fonctionnent sur des échelles de temps très différentes.

Recapture et diffusion

Lorsqu'une particule alpha est éjectée, le noyau de la fille recule avec suffisamment d'énergie pour être déplacé de son site de réseau d'origine. Dans les roches à grains fins, la gamme de reculs est généralement de 20–40 micromètres. Ce déplacement initial peut placer l'atome de gaz noble nouvellement formé dans une limite de grain ou un espace interstitielle, où il devient mobile.

L'hélium, qui est le plus petit et le plus mobile des gaz nobles, se diffuse rapidement à des températures élevées. Dans la croûte supérieure, où les températures sont inférieures à 100°C, les atomes d'hélium peuvent migrer plusieurs mètres sur des millions d'années le long des limites des grains et des microfractures. Argon diffuse plus lentement en raison de son rayon atomique plus grand, ce qui explique pourquoi des minéraux bien conservés comme la biotite et la muscovite conservent l'argon pour les études de thermochronologie.

Gazéification volcanique

L'activité volcanique est le principal mécanisme de transfert des gaz nobles du manteau et de la croûte profonde vers l'atmosphère. Lorsque le magma se lève et décompresse, les gaz dissous s'exsolent en bulles et sont libérés lors des éruptions. Les mesures des rapports isotopiques des gaz nobles dans les panaches volcaniques fournissent une preuve directe de la composition du manteau et des squo;s et révèlent que le manteau de la Terre contient encore de l'hélium primaire-3 piégé depuis la formation du manteau et des squo;s planet.

Les basaltes de crêtes de l'océan moyen, qui échantillonnent le manteau supérieur, montrent des rapports hélium-3/hélium-4 qui sont environ huit fois plus élevés que le rapport atmosphérique, ce qui indique un mélange d'hélium primaire-3 et d'hélium radiogénique-4 produit par la décomposition alpha.

Dégazage par diffuse

Au-delà des phénomènes volcaniques, un courant de gaz nobles plus calme mais constant s'échappe de la croûte continentale par le dégazage diffuse du sol. Les mesures des flux d'hélium et de radon dans les régions non volcaniques montrent que cette émission de fond représente environ 30% du flux total d'hélium dans l'atmosphère.

Conservation et perte de l'atmosphère

Une fois que les gaz nobles atteignent l'atmosphère, leurs sorts divergent fortement en fonction de la masse atomique et du bilan énergétique de la haute atmosphère.

Évasion de l'hélium

L'hélium est assez léger pour surmonter l'attraction gravitationnelle de la Terre dans l'exosphère, où les températures peuvent dépasser 1 000 K en raison de l'absorption de rayons ultraviolets extrêmes. À ces températures, une petite fraction des atomes d'hélium dans la queue à haute vitesse de la distribution Maxwell–Boltzmann atteint une vitesse d'évacuation (11,2 km/s) et est perdue dans l'espace. Le taux d'échappement de l'hélium actuel est estimé à environ 2 et temps; 105 kg par année, à peu près équilibré par le taux de production radiogénique d'environ 2–3 et temps; 106 kg par année, après avoir pris en compte la fraction qui reste piégée dans la croûte.

Cet état quasi stationnaire explique pourquoi l'hélium atmosphérique ne s'accumule pas indéfiniment. La teneur en hélium de l'atmosphère reflète un équilibre dynamique entre la production continue d'alpha-décay et la production continue de Jeans escape— un équilibre qui a persisté dans une grande partie de l'histoire de la Terre.

Maintien en fonction de l'argon

L'argon, d'une masse atomique de 40, est beaucoup trop lourd pour échapper à la gravité de la Terre dans les conditions actuelles. Chaque atome d'argon-40 produit par la décomposition du potassium-40 au cours des 4,5 milliards d'années écoulées a été libéré dans l'atmosphère ou conservé dans la croûte et le manteau.

Si tous les potassium-40 qui existaient dans la Terre avaient pour effet de se désintégrer et de libérer son argon-40 dans l'atmosphère, le total serait d'environ 4,5 et fois; 1019] grammes. L'inventaire atmosphérique réel est d'environ 6,6 et fois; 1019] grammes, ce qui suggère que l'exutoire était plus efficace dans les premiers temps de la Terre, lorsque la croûte était plus chaude et le volcanisme était plus répandu, et que certains argons restent piégés dans l'intérieur profond.

Xénon manquant

L'atmosphère terrestre contient beaucoup moins de xénon que ce qui serait prévu en comparant d'autres éléments volatils et des météorites chondriques. Une hypothèse dominante propose que le xénon soit séquestré dans des réservoirs de terre profonde et de mdash; possiblement dans des minéraux silicates ou des phases métalliques à haute pression et de mdash; où il était entraîné par les mêmes processus alpha-décay qui l'ont produit. Des expériences récentes suggèrent que le xénon peut être incorporé dans la structure cristalline du quartz et d'autres minéraux dans des conditions de manteau, ce qui fournit un puits potentiel pour la fraction manquante.

Ce que nous disent les gaz nobles sur l'histoire de la Terre

L'étude des gaz nobles dans l'atmosphère terrestre dépasse de loin la simple curiosité quant à l'origine de ces gaz. Leurs abondances isotopiques servent de traceurs pour comprendre les processus fondamentaux de la Terre.

Helium-3 comme traceur de manteau

L'hélium-3 est en grande partie un hélium primaire et un hélium de masse; il a été incorporé pendant l'accumulation de la Terre et n'est pas produit de façon significative par la décomposition radioactive. (Il existe une infime production de la réaction de capture de neutrons sur le lithium-6, mais il est négligeable à l'échelle mondiale.) La présence d'hélium-3 dans les roches volcaniques, en particulier dans les basaltes des îles de l'océan, démontre que des portions du manteau sont restées non mélangées et non dégazées pendant des milliards d'années.

Argon-40 comme chronomètre de dégazage

Comme l'argon-40 est produit à un rythme connu à partir du potassium-40 et est conservé dans l'atmosphère une fois libéré, l'accumulation d'argon-40 atmosphérique fournit une horloge pour le dégazage planétaire. Des modèles qui correspondent à l'inventaire atmosphérique observé de l'argon avec le budget en potassium de la Terre silicate suggèrent qu'environ 40–50% de l'argon produit sur Terre-Quo;s l'histoire a été libérée dans l'atmosphère. Le reste est toujours piégé dans le manteau, ce qui indique que la Terre n'a pas complètement dégazé.

Isotopes du néon et perte atmosphérique

Le rapport néon-20/néon-22 dans l'atmosphère est significativement plus bas que le rapport du vent solaire, ce qui signifie que l'atmosphère du début de la Terre a été dépouillée par le rayonnement ultraviolet extrême du Soleil pendant l'éon Hadéen, et que les isotopes plus lourds ont été retenus de préférence.

Alpha Decay dans le contexte plus large de la science planétaire

Sur Mars, l'argon-40 a été détecté dans l'atmosphère par le rover de Curiosity, et le rapport argon-40/argon-36 indique aux scientifiques dans quelle mesure le manteau martien a été débordé. La faible abondance d'argon-40 par rapport à la Terre suggère que Mars a connu moins de retravail volcanique et que sa croûte peut conserver une plus grande fraction de son argon radiogénique.

Sur la Lune, l'appauvrissement extrême des éléments volatils signifie que la décomposition alpha est la source dominante de tout hélium-4 et argon-40 présent dans l'exosphère lunaire fragile. Les mesures effectuées par le Prospecteur lunaire et les missions Apollo montrent une variation diurne dans l'argon-40, avec des concentrations plus élevées au lever du soleil lorsque le gaz se déssorbe à partir de surfaces froides.

Même sur Mercure, le vaisseau spatial Messenger a détecté des traces d'hélium et d'argon dans l'exosphère de la planète, presque certainement dérivées de la décomposition radioactive de la croûte. En ce sens, la décomposition alpha fournit une base universelle : tout corps rocheux avec suffisamment d'uranium et de thorium produira une atmosphère gazeuse noble, aussi mince soit-elle.

Incidences pratiques et questions ouvertes

La production d'hélium par décomposition alpha a une pertinence économique directe.L'hélium est une ressource essentielle pour les aimants IRM, la fabrication de semi-conducteurs et la recherche cryogénique.La grande majorité de l'hélium produit commercialement provient de champs de gaz naturel où l'hélium radiogénique s'est accumulé dans des pièges structuraux sur des dizaines à des centaines de millions d'années.Comprendre le lien entre la décomposition alpha, la géologie crustale et l'accumulation d'hélium est essentiel pour l'exploration de l'hélium et la gestion des ressources.

Le radon, produit alphadécay du radium 226, est un problème de santé parce que les filles du radon inhalé peuvent irradier les tissus pulmonaires et augmenter le risque de cancer.La cartographie géologique du potentiel de radon repose sur la même physique nucléaire fondamentale qui régit la décomposition alpha dans la série d'uranium.

Plusieurs questions restent ouvertes. L'une est l'efficacité précise avec laquelle l'hélium produit par l'alpha est conservé dans différents hôtes minéraux avant de se diffuser. Une autre est de savoir s'il existe des réservoirs importants de gaz nobles primaires encore piégés dans le manteau inférieur ou le noyau.

Les recherches en cours utilisant la spectrométrie de masse sur des échantillons provenant de crêtes de l'océan moyen, de sources chaudes continentales et de trous de forage profonds continuent d'affiner notre compréhension de ces processus. La précision isotopique des instruments modernes permet maintenant aux scientifiques de distinguer avec confiance l'hélium dérivé du manteau et l'hélium crustal, et de tracer le mélange de ces réservoirs dans les arcs volcaniques et les points chauds.

Les levés géophysiques combinés à la géochimie des gaz nobles fournissent une image plus intégrée de la façon dont les éléments radioactifs générateurs de chaleur dans la croûte influencent non seulement la production de gaz nobles, mais aussi les gradients géothermiques et la distribution des sources thermiques.

Conclusion

La décomposition alpha est un processus fondamental dans la construction de l'atmosphère secondaire de la Terre. L'action simple d'un noyau lourd éjectant une particule d'hélium-4 a, pendant des milliards d'années, fourni à l'atmosphère tout son complément d'hélium et, par la capture électronique du potassium-40, l'isotope dominant de l'argon. Au-delà de ces contributions directes, les chaînes de décomposition de l'uranium et du thorium produisent du radon et contribuent à la trace des isotopes du krypton et du xénon, ce qui ajoute de la complexité à l'inventaire atmosphérique des gaz nobles.

La distribution de ces gaz entre la croûte, le manteau et l'atmosphère reflète l'interaction de la physique nucléaire, de la cinétique de diffusion, du transport volcanique et de l'évasion gravitationnelle. En mesurant les signatures isotopiques des gaz nobles, les géoscientifiques ont lu un enregistrement de la différenciation planétaire, de l'histoire thermique et de l'évolution atmosphérique qui remonte aux premières époques de la formation de la Terre.

Loin d'être de simples curiosités inertes, les gaz nobles sont des messagers de la Terre profonde. Ils portent les empreintes des désintégrations alpha qui se sont produites dans les cristaux depuis longtemps depuis la recristallisation, dans les roches maintenant enfouies à des kilomètres sous des volcans actifs, et dans les minéraux qui ont été témoins de toute la portée de notre planète et de son histoire. Chaque atome d'hélium dans l'air que vous respirez était autrefois une particule alpha qui courait à travers un grain de zircon ou de grenat, son énergie dépensée et son identité transformée.