Minéralogie lunaire

Introduction

Echantillons rapportés par les missions lunaires

Principaux minéraux lunaires

Introduction

Le problème rencontré par les minéralogistes se préoccupant de minéralogie lunaire est celui de la rareté des matériaux lunaires susceptibles d’être étudiés.

Deux sources de roches et de minéraux lunaires existent en effet, ce sont :

Echantillons rapportés par les missions lunaires:

Une quantité de 382 kilogrammes ( = 842 livres) de roches lunaires diverses formant 2196 échantillons ont été rapportés de la Lune par les 6 missions américaines du programme Apollo ayant atteint la Lune entre 1969 et 1972. Ont doit y ajouter également environ 300 grammes (3/4 de livre) de roches lunaires rapportés par les 3 missions russes du programme automatique Luna.

Ces échantillons ont contribué à une meilleure connaissance de la Lune et des premiers temps du système solaire. Un de leurs principaux intérêts est de pouvoir être datés par les méthodes radiochronologiques. Le Johnson Space Center de la NASA situé à Houston (Texas, U.S.A.) est chargé de conserver les échantillons lunaires rapportés par les missions américaines ainsi que de préparer les échantillons qui peuvent être mis à la disposition des scientifiques. Au total 97000 échantillons dûment catalogués ont été préparés au Johnson Space Center pour études et analyses. Aujourd’hui encore, plus de 25 ans après les missions lunaires, des scientifiques appartenant à plus de 60 laboratoires du monde entier continuent l’étude de ces échantillons et ce sont 1100 échantillons qui sont ainsi préparés et envoyés aux chercheurs chaque année. Les échantillons étudiés non détruits ou endommagés par les analyses dont ils ont fait l’objet sont retournés à la NASA .

Du fait de leurs âges compris entre 3 et 4,6 milliards d’années, âges qui sont rarement rencontrés pour les roches terrestre, les échantillons de roches lunaires s’avèrent précieux pour approfondir notre connaissance du début de l’histoire du système solaire.

Des études des isotopes lunaires et terrestres ont permis d’apporter quelques suplémentaires à l’hypothèse d’une formation de la lune par collision d’un corps impacteur de la dimension de Mars avec la Terre peu de temps après la formation du système solaire.

On a appris également que la croûte lunaire s’est formée il y a 4,4 milliards d’années. La formation de cette croûte, puis l’intense bombardement par les météorites qui a suivi et les épanchements de laves qui en résultèrent sont enregistrés dans les roches. Les sols qui recouvrent la croûte lunaire depuis sa formation ont de plus été soumis à l’irradiation par les rayonnements solaires et ont ainsi enregistrer l’activité solaire au cours du temps.

Des minéraux nouveaux comme la tranquilityite ou l’armalcolite ont été trouvés initialement dans les roches lunaires. Depuis, on en a trouvé sur Terre.

Principaux minéraux lunaires

Silicates

Oxydes

Sulfures

Phosphates

Minéraux d’origine météoritiques

Les pyroxènes sont un des groupes de minéraux parmi les plus représenté dans la croûte lunaire.

L’étude des lamelles d’exsolution dans les pyroxènes lunaires, notamment celles de clinopyroxènes dans l’augite et dans la pigeonite, ont montré que ces minéraux avaient été créés lors de réaction à températures inférieures à celle de leur point de fusion. Ces mêmes études ont également montré que les pyroxènes lunaires s’étaient refroidis lentement. On a pu ainsi déduire qu’une coulée de basalte de 6 mètres d’épaisseur située sur le lieu d’alunissage d’Apollo 15 s’était refroidie à une vitesse de 0.2 à 1.5 degré par heure.

De rares observations ont été également faites révélant à l’intérieur des cristaux de pyroxènes lunaires des lamelles de choc formées lors d’impacts météoritiques.

Dans les roches cristallines telles que les anorthosites, la composition chimique des pyroxènes montre une plus grande importance du magnésium que du fer.

La plupart des feldspaths lunaires font partie de la famille des plagioclases.

Les feldspaths plagioclases sont des minéraux majeurs des roches constituant la croûte lunaire.

Dans l’état actuel des connaissances, les teneurs en anorthite des plagioclases de différentes roches lunaires sont :

Statistiquement, les plagioclases lunaires sont plus pauvres en sodium et donc plus proches du pôle anorthite que ceux trouvé sur Terre. Les plagioclases les plus sodiques sont trouvés dans les formation des highlands lunaires (chaînes de montagne lunaires) et notamment des roches enrichies en potassium (K), en terres rares (= Rare Earth Elements ou REE) et en phospore (P) qui sont regroupées sous l’appellation KREEP.

L’olivine est un constituant majeur des roches formant la croûte lunaire.

A l’intérieur des basaltes des mers lunaires les olivines ont des compositions qui vont de 30%

à 80% en forstérite (pôle magnésien des olivines). Les olivines les proches du pôle ferreux, la fayalite (moins de 30% de forstérite) sont plus rares, bien que des cristaux d’une fayalite presque pure aient été trouvés dans les basaltes les plus récents des mers lunaires qui sont également les plus riches en fer. Les impuretés principales des olivines lunaires sont le calcium, le manganèse le chrome et l’aluminium. On a noté que le chrome était plus abondant dans les olivines lunaires (jusqu’à 0,6% en poids) que dans les olivines terrestres. Ceci y est probablement du au faible degré d’oxydation du chrome (chrome divalent) à mettre en relation avec la faible pression partielle d’oxygène lors de la mise en place des basaltes des mers lunaires. De la même manière, on note une teneur en chrome anormalement élevé à l’intérieur des pyroxènes des mêmes basaltes.

Dans les roches lunaires, la silice cristallise sous forme de quartz, de tridymite ou de cristobalite. La silice est beaucoup plus rare dans les roches de la croûte lunaire que dans celles de la croûte terrestre. Ceci peut s’expliquer par une évolution moins poussée de la croûte lunaire et un plus faible développement de la différenciation magmatique. Une autre raison est la teneur en eau plus faible.

Il est intéressant de constater que si des formes de haute pression de la silice telles que la coésite et la stishovite ont été trouvées sur Terre en relation avec des impacts météoritiques, ces minéraux n’ont à ce jour pas été identifiés sur la Lune ce qui est vraisemblablement à mettre en relation avec la rareté de la silice sur la Lune et à l’évaporation rapide de la silice fondue sous vide.

Les minéraux lunaires du groupe de la silice se concentrent essentiellement dans les roches enrichies en KREEP. Le quartz a été trouvé dans des éclats felsitiques sous forme de cristaux en forme d’aiguille qui semblent provenir d’une transformation d’une tridymite originelle.

On a également trouvé du quartz dans les rares fragments de granite lunaire récoltés.

La forme cristallisée de silice la plus commune dans les basaltes des mers lunaires est la cristobalite qui peut jusqu’à 5% de certain basaltes. On y observe parfois l’inversion d’une partie de la cristobalite en tridymite.

Bien que rares, petits, et difficiles d’étude, les zircons lunaires se sont avérés extrêmement importants pour dater les échantillons lunaires, particulièrement les roches très anciennes qui constituent les montagnes lunaires. Les zircons tendent également à bien enregistrer les traces de fission. La source principale des zircons lunaires sont les fameux granites lunaires à teneur élevée en silice et qui semblent particulièrement rares. L'échantillon 15405 constitué d’une brèche à composition de monzodiorite de quartz s’est avéré posséder une teneur volumique en zircon s‘élevant à 0,6 %.

Cependant, la plupart des zircons lunaires sont trouvés en grains isolés dans les sols et les brèches lunaires. Ceci est dû à la rareté des granites lunaires et à la longévité des zircons. Ils ont été également trouvés dans des inclusions métamorphisées à l’intérieur des basaltes où ils résultent vraisemblablement d’une tranquillityite initiale.

 C'est l'analogue lunaire ferreux de notre pyroxmangite terrestre. Les deux minéraux ont pour formule (Mn, Fe) SiO3 cependant la pyroxmangite de contient jamais plus de 25% de fer alors que la pyroxferroite est plus riche en ce métal et n'a été jamais trouvé sur terre.

La pyroxferroite a été trouvé dans les basaltes lunaires riches en fer et notamment ceux des mers lunaires.

La NASA mentionne les grenats trouvés dans les échantillons ramenés de la lune comme pouvant être le résultat d’une contamination et dans ce cas ne pas être d'origine lunaire indigène.

Le nom de ce minéral provient de celui de la Mer de la Tranquilité, lieu d’alunissage d’Apollo 11. Ce minéral a été trouvé à l’intérieur des basaltes épanchés dans les fameuses mers lunaires. Les cristaux de tranquilityite se présentent comme des lattes d’un longueur inférieure à 100 micromètres. Ce minéral est souvent associé à l’apatite et le pyroxferroïte à l’intérieur de petites poches et semblent avoir été parmi les tout derniers minéraux a s’être formés. La tranquilityite est translucide et non pléochroïque. Vu en lames minces et en lumière transmise, la tranquilityite apparaît de couleur rouge profond. Cette couleur est à mettre en relation avec la forte teneur du minéral en titane.

Le groupe de la pseudobrookite ou de l'armalcolite se compose de minéraux de formule générale X2YO5. Les sites X et de Y sont de coordinence octaédriques ce permettent une substitution dans de larges proportions entre fer divalent et trivalent, magnésium, aluminium et titane. Les membres extrêmes principaux du groupe sont la pseudobrookite (Fe2TiO5), la ferropseudobrookite (FeTiO5), et l'armalcolite (Mg 0.5Fe0.5TiO5).

L’étude de la zonation à l’intérieur des spinelles est utilisé comme indicateur de l’historique de cristallisation des basaltes des mers lunaires. De la cromite a été découverte sur la Lune.