Abondance des éléments dans la croûte terrestre

Cet article recense l'abondance des éléments dans la croûte terrestre. Il donne une estimation de leurs clarkes.

Abondances cosmiques^[1]. On a choisi des symboles différents pour les éléments de numéros atomiques pairs et impairs afin de faire apparaître que ces derniers sont presque systématiquement moins abondants que leurs voisins de numéros pairs.

Abondance (en fraction atomique) d'éléments chimiques dans la croûte terrestre supérieure en fonction de leur numéro atomique (éléments pétrogènes et éléments métallogènes). Les éléments représentés les plus rares (en jaune) ne sont pas les plus lourds mais les plus sidérophiles (fréquemment associés au fer) dans la classification géochimique. Ils ont été épuisés par migration en profondeur dans le noyau terrestre. Leur abondance dans les météoroïdes est plus élevée. De plus, le sélénium et le tellure ont été épuisés par formation d'hydrures volatils (H₂Se et H₂Te).

Origine

Les abondances des éléments chimiques dans la croûte terrestre découlent de leurs abondances dans la nébuleuse (pré)solaire, qui ne diffèrent en principe pas^{[alpha 1]} de leurs abondances dans la photosphère solaire (« abondances cosmiques »).

Les matériaux qui constituent la Terre proviennent de la condensation incomplète de la nébuleuse solaire. Ceux qui constituent la croûte terrestre dérivent des précédents par la différenciation chimique de la planète (différenciation planétaire précoce puis formation progressive de la croûte continentale aux dépens du manteau).

Liste

Sur près de 90 éléments présents dans la croûte terrestre, huit seulement représentent plus de 98 % de la composition des roches de la croûte terrestre^{[alpha 2]} (oxygène 46,6 %, silicium 27,7 %, aluminium 8,1 %, fer 5 %, calcium 3,6 %, sodium 2,8 %, magnésium 2,3 %, potassium 2,1 %)^[2].

Le tableau suivant indique les pourcentages massiques en parties par million (ppm) : 10 000 ppm = 1 %.

Les données ci-dessous sont des estimations et elles varient suivant les sources et les méthodes de calcul. Les ordres de grandeur sont toutefois globalement fiables.

Z	Élément	Symbole	Abondance lithosphérique (ppm)[3]	Proportion relative (ppm)[4]	Abondance crustale[alpha 3] (ppm)[5]	Abondance crustale (ppm)[6]	Abondance crustale (ppm)[7]	Abondance crustale (ppm)[8]	Production (2011, t)[9],[alpha 4]
+08,	Oxygène	O	+460 000,	+474 000,	+461 000,	+460 000,	+467 100,	+461 000,
+14,	Silicium[alpha 5]	Si	+277 200,	+277 100,	+282 000,	+270 000,	+276 900,	+282 000,	+008 000 000,
+13,	Aluminium	Al	+081 300,	+082 000,	+082 300,	+082 000,	+080 700,	+082 300,	+044 400 000,
+26,	Fer	Fe	+050 000,	+041 000,	+056 300,	+063 000,	+050 500,	+056 300,	[phone],
+20,	Calcium	Ca	+036 300,	+041 000,	+041 500,	+050 000,	+036 500,	+041 500,
+11,	Sodium	Na	+028 300,	+023 000,	+0 00023 600,	+023 000,	+027 500,	+023 600,	[phone],
+19,	Potassium	K	+025 900,	+021 000,	+020 900,	+015 000,	+025 800,	+020 900,
+12,	Magnésium	Mg	+020 900,	+023 000,	+023 300,	+029 000,	+020 800,	+023 300,	+000780 000,
+22,	Titane	Ti	+004 400,	+005 600,	+005 600,	+006 600,	+006 200,	+005 600,	+006 700 000,
+01,	Hydrogène	H	+001 400,		+001 400,	+001 500,	+001 400,	+001 400,
+15,	Phosphore	P	+001 200,	+001 000,	+001 050,	+001 000,	+001 300,	+001 050,
+25,	Manganèse	Mn	+001 000,	+000950,	+001 050,	+001 100,	+000900,	+000950,	+014 000 000,
+09,	Fluor	F	+000800,	+000950,	+000585,	+000540,	+000290,	+000585,
+56,	Baryum	Ba		+000500,	+000425,	+000340,	+000500,	+000425,
+06,	Carbone[alpha 6]	C	+000300,	+000480,	+000200,	+001 800,	+000940,	+000200,
+38,	Strontium	Sr		+000370,	+000370,	+000360,		+000370,	+000380 000,
+16,	Soufre	S	+000500,	+000260,	+000350,	+000420,	+000520,	+000350,	+069 000 000,
+40,	Zirconium	Zr		+000190,	+000165,	+000130,	+000250,	+000165,	+001 410 000,
+74,	Tungstène	W		+000160,6	+00 0001,25	+00 0001,1		+00 0001,25	+0 00072 000,
+23,	Vanadium	V	+000100,	+000160,	+000120,	+000190,		+000120,	+0 00060 000,
+17,	Chlore	Cl	+000500,	+000130,	+000145,	+000170,	+000450,	+000145,	[phone],
+24,	Chrome	Cr	+000100,	+000100,	+000102,	+000140,	+000350,	+000102,	+024 000 000,
+37,	Rubidium	Rb	+000300,	+0 00090,	+0 00090,	+0 00060,		+0 00090,
+28,	Nickel	Ni		+0 00080,	+0 00084,	+0 00090,	+000190,	+0 00084,	+001 800 000,
+30,	Zinc	Zn		+0 00075,	+0 00070,	+0 00079,		+0 00070,	+012 400 000,
+29,	Cuivre	Cu	+000100,	+0 00050,	+0 00060,	+0 00068,		+0 00060,	+016 100 000,
+58,	Cérium	Ce		+0 00068,	+0 00066,5	+0 00060,		+0 00066,5
+60,	Néodyme	Nd		+0 00038,	+0 00041,5	+0 00033,		+0 00041,5
+57,	Lanthane	La		+0 00032,	+0 00039,	+0 00034,		+0 00039,
+39,	Yttrium	Y		+0 00030,	+0 00033,	+0 00029,		+0 00033,	+00 0008 900,
+07,	Azote	N	+0 00050,	+0 00025,	+0 00019,	+0 00020,		+0 00019,	[phone],
+27,	Cobalt	Co		+0 00020,	+0 00025,	+0 00030,		+0 00025,	+0 00098 000,
+03,	Lithium	Li		+0 00020,	+0 00020,	+0 00017,		+0 00020,	+0 00034 000,
+41,	Niobium	Nb		+0 00020,	+0 00020,	+0 00017,		+0 00020,	+0 00063 000,
+31,	Gallium	Ga		+0 00018,	+0 00019,	+0 00019,		+0 00019,
+21,	Scandium	Sc		+0 00016,	+0 00022,	+0 00026,		+0 00022,
+82,	Plomb	Pb		+0 00014,	+0 00014,	+0 00010,		+0 00014,	+004 500 000,
+62,	Samarium	Sm		+00 0007,9	+00 0007,05	+00 0006,		+00 0007,05
+90,	Thorium	Th		+0 00012,	+00 0009,6	+00 0006,		+00 0009,6
+59,	Praséodyme	Pr		+00 0009,5	+00 0009,2	+00 0008,7		+00 0009,2
+05,	Bore	B		+000950,	+0 00010,	+00 0008,7		+0 00010,	+004 300 000,
+64,	Gadolinium	Gd		+00 0007,7	+00 0006,2	+00 0005,2		+00 0006,2
+66,	Dysprosium	Dy		+00 0006,	+00 0005,2	+00 0006,2		+00 0005,2
+72,	Hafnium	Hf		+00 0005,3	+00 0003,	+00 0003,3		+00 0003,
+68,	Erbium	Er		+00 0003,8	+00 0003,5	+00 0003,		+00 0003,5
+18,	Argon	Ar			+00 0003,5
+70,	Ytterbium	Yb		+00 0003,3	+00 0003,2	+00 0002,8		+00 0003,2
+55,	Césium	Cs		+00 0003,	+00 0003,	+00 0001,9		+00 0003,
+04,	Béryllium	Be		+00 0002,6	+00 0002,8	+00 0001,9		+00 0002,8	+000 000240,
+50,	Étain	Sn	+00 0000,	+00 0002,2	+00 0002,3	+00 0002,2		+00 0002,3	+000253 000,
+63,	Europium	Eu		+00 0002,1	+00 0002,	+00 0001,8		+00 0002,
+92,	Uranium	U		+00 0000,	+00 0002,7	+00 0001,8		+00 0002,7
+73,	Tantale	Ta		+00 0002,	+00 0002,	+00 0001,7		+00 0002,	+000 000790,
+32,	Germanium	Ge		+00 0001,8	+00 0001,5	+00 0001,4		+00 0001,5	+000 000118,
+42,	Molybdène	Mo		+00 0001,5	+00 0001,2	+00 0001,1		+00 0001,2	+000250 000,
+33,	Arsenic	As		+00 0001,5	+00 0001,8	+00 0002,1		+00 0001,8	+0 00052 000,
+67,	Holmium	Ho		+00 0001,4	+00 0001,3	+00 0001,2		+00 0001,3
+65,	Terbium	Tb		+00 0001,1	+00 0001,2	+00 0000,94		+00 0001,2
+69,	Thulium	Tm		+00 0000,48	+00 0000,52	+00 0000,45		+00 0000,52
+35,	Brome	Br		+00 0000,37	+00 0002,4	+00 0003,		+00 0002,4	+000460 000,
+81,	Thallium	Tl		+00 0000,6	+00 0000,85	+00 0000,53		+00 0000,85	+0 000 00010,
+71,	Lutécium	Lu			+00 0000,5			+00 0000,5
+51,	Antimoine	Sb		+00 0000,2	+00 0000,2	+00 0000,2		+00 0000,2	+000169 000,
+53,	Iode	I		+00 0000,14	+00 0000,45	+00 0000,49		+00 0000,45	+0 00029 000,
+48,	Cadmium	Cd		+00 0000,11	+00 0000,15	+00 0000,15		+00 0000,15	+0 00021 500,
+47,	Argent	Ag		+00 0000,07	+00 0000,075	+00 0000,08		+00 0000,075	+0 00023 800,
+80,	Mercure	Hg		+00 0000,05	+00 0000,085	+00 0000,067		+00 0000,085	+00 0001 930,
+34,	Sélénium	Se		+00 0000,05	+00 0000,05	+00 0000,05		+00 0000,05	+00 0002 000,
+49,	Indium	In		+00 0000,049	+00 0000,25	+00 0000,16		+00 0000,25	+000 000640,
+83,	Bismuth	Bi		+00 0000,048	+00 0000,0085	+00 0000,025		+00 0000,0085	+00 0008 500,
+02,	Hélium	He			+00 0000,008
+10,	Néon	Ne			+00 0000,005
+52,	Tellure	Te		+00 0000,005	+00 0000,001	+00 0000,001		+00 0000,001
+78,	Platine	Pt		+00 0000,003	+00 0000,005	+00 0000,0037		+00 0000,005	+000 000192,
+79,	Or	Au		+00 0000,0011	+00 0000,004	+00 0000,0031		+00 0000,004	+00 0002 700,
+44,	Ruthénium	Ru		+00 0000,001	+00 0000,001	+00 0000,001		+00 0000,001
+46,	Palladium	Pd		+00 0000,0006	+00 0000,015	+00 0000,0063		+00 0000,015	+000 000207,
+75,	Rhénium	Re		+00 0000,0004	+00 0000,0007	+00 0000,0026		+00 0000,0007	+0 000 00049,
+77,	Iridium	Ir		+00 0000,0003	+00 0000,001	+00 0000,0004		+00 0000,001
+45,	Rhodium	Rh		+00 0000,0002	+00 0000,001	+00 0000,0007		+00 0000,001
+76,	Osmium	Os		+00 0000,0001	+00 0000,0015	+00 0000,0018		+00 0000,0015
+36,	Krypton	Kr			+00 0000,0001
+54,	Xénon	Xe			+0 0000
+91,	Protactinium	Pa			+000
+88,	Radium	Ra			+000
+89,	Actinium	Ac			+0
+84,	Polonium	Po			+0
+86,	Radon	Rn			+0

Classification géochimique des éléments

Le géochimiste Victor Goldschmidt propose dans les années 1920 de regrouper les éléments chimiques en fonction de leurs affinités et de leur abondance relative dans les principales enveloppes de la Terre, distinction liée au modèle de la différenciation géochimique de la planète en un noyau dense formé d'alliages de fer et nickel, entouré d'une enveloppe de sulfure dans la mésosphère, puis de la couche silicate (manteau supérieur et lithosphère), de l'hydrosphère et de l'atmosphère^[10] :

• les atmophiles (H, C, N, O, F, gaz nobles), qui ont une affinité prédominante avec les phases fluides se localisent principalement dans l'atmosphère et l'hydrosphère ;
• les lithophiles (Si, Al, Na, Fe, Ca, Mg, etc.), à forte affinité avec l'oxygène dans la lithosphère et le manteau supérieur ;
• les chalcophiles (S, Cu, Zn, Ag), fréquemment associés au soufre dans le manteau inférieur (hypothèse désormais invalidée) ;
• les sidérophiles (Fe, Ni, Au), préférentiellement associés au fer dans le noyau terrestre.

Le comportement des éléments chimiques à la surface ou à l'intérieur de la planète dépend ainsi de leur position dans le tableau périodique, et notamment de leur électronégativité E (pouvoir attracteur d'un atome dans une molécule, dépendant de l'énergie d'ionisation et de l'affinité électronique de cet atome). Si, entre deux éléments, la différence des valeurs de E est faible, la liaison est de type métallique (éléments sidérophiles), si elle est moyenne la liaison est de type covalente (ZnS par exemple et les éléments chalcophiles en général) et si elle est importante, la liaison est de type ionique (NaCl par exemple et les éléments lithophiles en général)^[11].

Cette répartition dans les trois principales couches terrestres correspond au modèle des enveloppes proposé par le géologue Eduard Suess en 1909^[12] : la croûte continentale SIAL (SIlicium et ALuminium, enveloppe contenant principalement les éléments chimiques Si, Al et O qui cristallisent dans les minéraux silicatés alumineux, et qui concentre les éléments les plus lithophiles localisés préférentiellement dans les « pierres »), au manteau SIMA (SIlicium et MAgnésium, couche contenant des silicates ferro-magnésiens, le manteau inférieur étant riche en éléments chalcophiles) et noyau NIFE (NIckel et FEr qui solubilise la quasi-totalité des sidérophiles)^{[alpha 7]}. Ce modèle de Terre, qui reste le modèle de référence dans le milieu des géophysiciens jusqu'à l'avant-guerre, a fourni un cadre puissant permettant d'interpréter le fonctionnement interne de notre planète, grâce à la théorie de la dérive des continents et de la tectonique des plaques^[13].

Les géochimistes actuels ont amendé^[14], affiné et complété cette vision des quatre grandes familles géochimiques dans les principaux réservoirs terrestres mais cette classification de Goldschmidt reste utile pour appréhender la géodynamique chimique interne globale^[15]. Actuellement, ils proposent d'autres classifications géochimiques fondées sur les rayons ioniques (éléments compatibles et incompatibles), la volatilité (éléments réfractaires et volatils), la solubilité dans les fluides (règles de substitution de Goldschmidt)^[16].

Notes et références

Notes

1. Les modèles du fonctionnement et de l'évolution des étoiles indiquent que la photosphère d'une étoile n'est pas brassée avec les couches plus profondes. Comme par ailleurs elle reste toujours à des températures largement insuffisantes pour subir des réactions de fusion nucléaire, elle doit garder la composition initiale de l’étoile et donc du nuage de gaz et de poussières qui en est à l'origine.
2. L'abondance des éléments dans la Terre tout entière est différente (fer 35 %, oxygène 30 %, silicium 15 %, magnésium 13 %) en raison de la nature métallique du noyau.
3. Abondance estimée dans la croûte continentale.
4. Toutes les données de production proviennent des mines, sauf pour Al, Cd, Fe, Ge, In, N, Se (usines, raffineries), S (toutes formes) et As, Br, Mg, Si (non spécifié). Les données pour B, Ti, Y ne correspondent pas à l'élément pur mais à l'oxyde le plus courant, celles pour Na et Cl correspondent à NaCl. Pour plusieurs éléments comme Si, Ti, Al, les données sont ambiguës (plusieurs formes produites) et sont prises pour l'élément pur.
5. Dont 5 000 t de production annuelle qui sont de qualité électronique.
6. Somme du contenu en carbone du charbon, pétrole brut et gaz naturel.
7. La migration du fer et des éléments sidérophiles vers le noyau est achevée avec la différenciation planétaire qui aurait abouti, en moins de 60 millions d'années (elle se serait terminée vers 4,5 Ga), à la formation de ces enveloppes. Cependant, les estimations du contenu résiduel en éléments hautement sidérophiles (HSE, pour highly siderophile elements en anglais) du manteau, montrent des valeurs 10 à 100 fois supérieures aux valeurs prédites selon ce scénario. Plusieurs hypothèses sont proposées pour expliquer cette contradiction : grand bombardement tardif, vaporisation du fer pendant le processus d'accrétion (terre entourée d'une atmosphère riche en fer gazeux qui, en se refroidissant, aurait donné des pluies de fer sur la surface, expliquant qu'une partie des HSE ne s'est pas retrouvée piégée dans le noyau). cf. (en) Richard G. Kraus, Seth Root, Raymond W. Lemke, Sarah T. Stewart, Stein B. Jacobsen & Thomas R. Mattsson, « Impact vaporization of planetesimal cores in the late stages of planet formation », Nature Geoscience,‎ 2015, p. 269–272 (DOI 10.1038/ngeo2369).

Références

1. Tableau n° 6 de l'article (en) « Abundances of the elements in the solar system », Space Science Reviews, vol. 15, n^o 1,‎ septembre 1973 (DOI 10.1007/BF00172440).
2. (en) A. A. Yaroshevsky, « Abundances of chemical elements in the Earth’s crust », Geochemistry International, vol. 44, n^o 1,‎ janvier 2006, p. 48–55 (DOI 10.1134/S001670290601006X).
3. (en) « Elements, Terrestrial Abundance », www.daviddarling.info
4. (en) Kenneth Barbalace, « Periodic Table of Elements », Environmental Chemistry.com
5. (en) William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, vol. 97, CRC Press/Taylor and Francis, 2016, 2652 p. (ISBN 1498754287), « Abundance of elements in the Earth's crust and in the sea », p. 2402 (14-17).
6. (en) « Abundance in Earth's Crust », WebElements.com
7. (en) « List of Periodic Table Elements Sorted by Abundance in Earth's crust », Israel Science and Technology Homepage
8. (en) « It's Elemental — The Periodic Table of Elements », Jefferson Lab
9. (en) « Commodity Statistics and Information », USGS
10. Claude Allègre, Gil Michard, Introduction à la géochimie, Presses universitaires de France, 1973, p. 21.
11. J-M. Caron, A. Gauthier, J-M. Lardeaux, A. Schaaf, J. Ulysse, J. Wozniak (Auteur), Comprendre et enseigner la planète Terre, Ophrys, 2003, p. 251.
12. Eduard Suess, La Face de la Terre, Armand Colin, 1909, p. 534.
13. Vincent Deparis, Hilaire Legros, Voyage à l'intérieur de la terre, CNRS Éditions, 2000, p. 391.
14. Certains éléments sont omniprésents à la surface ou à l'intérieur de la planète, et se retrouvent dans différents groupes tandis que d'autres appartiennent à une seule famille ; le manteau inférieur n'est pas riche en éléments chalcophiles…
15. Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin, Marc de Rafélis Saint Sauveur, Éléments de géologie, Dunod, 2018, p. 110-111.
16. Maurice Renard, Yves Lagabrielle, Erwan Martin, Marc de Rafélis Saint Sauveur, Nicolas Coltice, Sylvie Leroy, Éléments de géologie, 2021, dunod, p. 134.

Voir aussi

Articles connexes

• Abondance d'un élément chimique
• Abondance naturelle
• Diversité minéralogique des éléments chimiques

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