Approche Expérimentale de la Planétologie. Différenciation planétaire et métamorphisme de matériaux chondritiques

Le travail qui est présenté dans ce mémoire aborde différents aspects de la différenciation planétaire et particulièrement les processus pouvant se produire lors de la formation d'un noyau au centre d'une planète. Il traite également de l'évolution de matériaux chondritiques avec la pression, la température et les conditions d'oxydoréduction, les chondrites représentant une classe de météorites communément proposées comme matériaux constructeurs possibles des planètes telluriques de notre système solaire. Durant mon travail de thèse, j'ai étudié la minéralogie du manteau inférieur de la Terre ainsi que les interactions entre métal et silicates pouvant se produire très en profondeur jusqu'à la frontière noyau-manteau. Les principales techniques utilisées au cours de ce travail furent la cellule à enclume de diamants pour élaborer les échantillons à hautes pressions et hautes températures et la microscopie électronique analytique en transmission (MET) pour extraire les informations chimiques et cristallographiques de ces échantillons. L'étude des météorites a débuté après ma thèse grâce à la caractérisation minéralogique fine de trois météorites martiennes par MET. Une fois en poste à Marne la Vallée, j'ai pu continuer à explorer les phénomènes liés à la formation de noyaux planétaires en débutant des études à plus basse pression centrées sur l'incorporation de plusieurs éléments légers (Si, O et S dans un premier temps, puis C dans un second temps) dans le métal au cours de la ségrégation. J'ai co-encadré, avec François Guyot, la thèse de Julien Siebert sur cette thématique pendant laquelle nous avons été en mesure de démontrer la miscibilité du système Fe-S-Si à partir de 15 GPa et 2000°C. A travers à ce travail, j'ai appris à utiliser deux nouvelles techniques expérimentales : les presses multi-enclumes et piston-cylindre. Pour finir, le soufre s'est révélé être un élément de première importance dans de tels systèmes avec la formation dans nos échantillons de monosulfures de type ningérite MgS ou oldhamite CaS, deux phases bien connues dans les météorites à enstatite. Une étude détaillant les mécanismes de formation de ces phases CaS-MgS-FeS a débuté au cours de mon séjour au Lunar and Planetary Institute de Houston. Les matériaux constructeurs de la Terre, de Mars et de Mercure restent encore un sujet débattu. Il m'a ainsi semblé essentiel de comprendre l'évolution chimique, minéralogique et texturale de matériaux chondritiques (synthétiques puis naturels) oxydés et réduits soumis à différentes conditions de pression et de température. En effet, tous ces paramètres physiques évoluent avec la taille du corps parent et l'intensité des bombardements des planétésimaux tout au long de la différenciation planétaire. La thèse de Sophie Berthet que je co-encadre avec Kevin Righter a pour but de comprendre le métamorphisme d'une chondrite à enstatite

Le partage des éléments très sidérophiles entre métal et silicate sous conditions extrêmes: implications sur la compréhension des processus primitifs de différenciation planétaire

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Le Platine et les platinoïdes peuvent-ils aider à comprendre les processus primitifs de différenciation planétaire ? Illustrations avec la Terre et Mars

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Étude minéralogique fine des matériaux et de leurs bioaltérations (implications sur les chondrites à enstatite)

Dans un premier temps, nous avons synthétisé et caractérisé une chondrite à enstatite reconstituée. En étudiant cet objet, nous avons pu identifier et comprendre le signal Raman des sulfures présents dans les météorites à enstatite. La réponse Raman de ces phases est obtenue via l'activation des modes infra-rouge suite à une modification de la symétrie dans le réseau cristallin. Dans un second temps, nous avons utilise cet analogue pour comprendre le processus de bio-alteration des chondrites à enstatite dans les conditions terrestres actuelles, donc en aérobiose. Afin de bien comprendre ce phénomène de bio altération sur ce matériau complexe, il a été indispensable d'étudier ce mécanisme sur chacune des phases présentes dans celui-ci. Ainsi l'analogue de chondrite à enstatite, l'enstatite, la troilite, l'alliage Fe-Si et aussi de l'olivine ont été altérés abiotiquement et bio altérés par les souches Acidithiobacillus ferrooxidans et Acidithiobacillus thiooxidans, pH ¡Ö 2 T = 20¡ãC. Cette étude a permis d'obtenir et d'interpréter à l'échelle de la microscopie électronique à balayage les principales phases et microstructures qui se développent lors de l'altération abiotique ou biologique d'une chondrite à enstatite. En parallèle, des mesures régulières de la chimie du milieu aqueux ont permis d'étudier la cinétique de lixiviation de ces expériences de bio-alteration et de la comparer à une modélisation thermodynamique et cinétique, que nous avons effectué avec le programme Jchess. Nos résultats montrent qu'en opposition avec ce qui a été observe sur les phases séparées, les cinétiques de dissolution sont très différentes lorsque les différentes phases sont associées dans l'analogue de chondrite à enstatite : la troilite se dissout bien plus lentement que dans les expériences sur phases séparées alors que l'enstatite se dissout plus vite. La dissolution plus lente de la troilite est attribuée à la présence de monosulfures très solubles dans le matériau de départ. Ces observations pourront être utilisées pour modéliser et interpréter l'évolution d'une chondrite à enstatite à la surface de la Terre et, au delà, de matériaux réduits associant métaux, sulfures et silicates. Les chondrites à enstatite constituent un substrat approprié pour les deux souches bactériennes étudiées qui, en présence de cet assemblage minéral, ont montré de l'activité biologique, en particulier la formation de biofilms, et ont accéléré les vitesses de dissolutionThe aim of this study is to investigate the mineralogical and chemical processes which take place during the bioweathering of an enstatite chondrite by bacteria. Synthetic enstatite chondrites were made in laboratory in order to begin this complex study with simplified and well-defined materials. These analogs were shown to contain the major phases of enstatite chondrites: enstatite, Si-rich kamacite, troilite and unusual sulfides such as oldhamite or niningerite. First, the Raman study of this analog allowed to identify and understand the specific Raman signal of sulphides present in enstatite meteorites. The Raman signal of these phases is explained by infrared activation due to a symmetry modification in the crystal lattice. Then, in order to better understand the aqueous alteration of enstatite chondrites, each major phase and olivine were separately submitted to aqueous and aerobic alteration with or without Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans at pH ¡Ö 2 T = 20¡ãC. All experiments were characterized before and after alteration using scanning electron microscopy. Regular measurements og the chemistry of the aqueous medium were used to study the kinetics of leaching experiments of bio-alteration and compared to thermodynamic and kinetic modeling with JChess. Our results show that contrary to the observations on the separate phases, the dissolution kinetics are very different when the whole phases are associated in the enstatite chondrite analogue: troilite dissolves more slowly than in experiments on separate phases while enstatite dissolves faster. The slower dissolution of troilite is ascribed to the presence of oldhamite and niningerite in the starting material. These observations will be useful to understand and model the evolution of enstatite chondrites at the surface of the Earth and, beyond that, of reduced assemblages containing metals, sulphides and silicates. Enstatite chondrites are shown to be an appropriate substrate for the two bacterial strains which have shown biological activity, especially by the formation of biofilms and which have accelerated the dissolution kineticsPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Métamorphisme d'une chondrite à enstatite nommée Indarch (implication sur les phénomènes de différenciation planétaire. Application à la Terre)

Les chondrites à enstatite partagent un réservoir commun de l isotope de l oxygène avec la Terre et la Lune. Cette caractéristique soulève la question d une possible participation de ce type de météorites à la construction de la Terre. Egalement, l étude des chondrites à enstatite permet d apporter de nouvelles contraintes pour comprendre plus en détail l histoire de la différenciation de petits corps planétaires soumis à des conditions réductrices. La première étude expérimentale systématique à haute pression et haute tempe rature d une chondrite à enstatite a ainsi été mise en oeuvre, entre 1 et 25 GPa, et entre 1200C et 2500C, couvrant ainsi les conditions de pression et de température du manteau supérieur terrestre. La météorite qui a été choisie pour cette étude s appelle Indarch. Il s agit d une chondrite à enstatite de type EH4. A 1 GPa, l effet de la fO2 sur les relations de phases de la météorite, ainsi que sur les coefficients de partage entre métal et silicate liquide des éléments S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo est étudié spécifiquement. Les phases silicatées et métalliques subissent de grands changements lorsque la fO2 varie de IW-1.5 à IW-4.5. Des monosulfures contenant les éléments (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr) sont présents aux fO2 les plus réduites. La phase métallique de nos échantillons est toujours liquide et comprend deux phases immiscibles riches en fer : l une pauvre en S et riche en C, et l autre riche en S et pauvre en C. La phase riche en C est également riche en Si aux fO2 les plus réduites. Les relations de phases d Indarch ont été déterminées entre 3 et 25 GPa, et entre 1500C et 2500C, nous permettant de proposer le premier diagramme de phases en pression et température pour une chondrite à enstatite. La phase métallique est toujours liquide et il s agit d un alliage Fe-Ni-S à ces plus hautes pressions. La formation d un noyau planétaire à basse pression (0 à 5 GPa) sous des conditions très réductrices ne peut expliquer les appauvrissements observés de S dans les manteaux silicatés alors que plusieurs wt% de Si pourront être piégés dans le noyau. En revanche, à plus haute pression, l incorporation de S dans le noyau sera facilitée sous des conditions plus oxydantes. Finalement, notre étude permet de proposer un modèle d évolution d un matériau chondritique en cours d accrétion sous des conditions rédox variablesEnstatite chondrites share a common oxygen reservoir with Earth and Moon. This suggests that these meteorites may have participated to the building of the planet Earth. Studying enstatite chondrites will bring constraints for a better understanding of the differentiation history of planetesimals under reducing conditions. Thus, this is the first systematic study at HP-HT of an enstatite chondrite between 1 and 25 GPa, and between 1200C et 2500C, covering the pressure and temperature conditions of the terrestrial upper mantle. The meteorite, which was chosen for this study, is named Indarch. It is an enstatite chondrite, type EH4. At 1 GPa, the effect of the fO2 on the phase relations of the meteorite, as well as on the partitioning behavior between liquid metal and liquid of S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo is studied. Silicate and metallic phases undergo significant changes while the fO2 varies from IW-1.5 to IW-4.5. (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr)-bearing monosulfides are observed at the lowest fO2 s. The me-tallic phase in our samples is always liquid and comprises of two immiscible Fe-rich phases : one S-poor and C-rich, and the other S-rich and C-poor. The C-rich phase is also rich in Si at the most reduced fO2 s. Between 3 and 25 GPa, 1500C and 2500C, the phase relations of Indarch have been inquired and allow us to present the first P-T phase diagram for an enstatite chondrite. The metallic phase is always liquid, and at these high pressures, it is a Fe-Ni-S alloy. The observed depletions of S in silicate mantles cannot be explained by a core formation at low pressure (0 à 5 GPa) under reducing conditions, however several wt% of Si could be trapped in the core. At higher pressure, more oxidized conditions will facilitate S incorporation in the core. Final-ly, our study proposes a model of evolution of an accreting chondritic material under variable redox conditionsPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Comportement d'éléments formateurs et modificateurs de réseau dans des magmas hydratés

Cette étude vise à mieux caractériser les propriétés physico-chimiques de systèmes magmatiques hydratés en contexte subductif. Nous nous intéressons en particulier au comportement d éléments traces modificateurs de réseau (Ni et Zr), ainsi que d éléments majeurs formateurs de réseau (Ga et Ge) dans ce type de géomatériaux. Le principe de l étude repose essentiellement sur une approche expérimentale, visant à utiliser des systèmes de haute température et haute pression (cellule à enclumes diamant, presse Paris-Edinburgh) couplés à une méthode d analyse par spectroscopie d absorption des rayons X. Pour les différents systèmes chimiques abordés, les résultats obtenus à haute température et/ou haute pression mettent en évidence des comportements très différents pour nickel et pour le zirconium en fonction de la teneur en eau. L environnement structural local autour du nickel apparaît fortement affecté par la présence d eau, suggérant une interaction significative du nickel avec la phase aqueuse. En revanche, la structure locale autour du zirconium est reste pratiquement constante. De plus pour les éléments majeurs analogues (Ga et Ge), aucune modification structurale significative n est mise en évidence en fonction de la température, de la pression ou encore de la teneur en eau ; ce qui tend à suggérer un effet non-dépolymérisateur de l eau sur le réseau silicaté. Des expériences complémentaires nous ont permis de mettre en évidence l utilité des spectres d absorption des rayons X pour la détermination in situ des concentrations en nickel, ainsi que de la densité des magmas silicatés hydratés. Les résultats mettent en évidence un coefficient de partage eau/silicate très inférieur à 1, suggérant une mobilisation faible, mais néanmoins significative, du nickel par la phase aqueuse lors de la remontée magmatique. Par ailleurs, des mesures de densité apparente de magmas hydratés, à environ 780 C / 520 MPa, mettent en évidence une valeur proche de 1 g/cm3, suggérant un aspect structural de type émulsion particulièrement riche en eau, ainsi qu une dynamique d ascension magmatique en écoulement homogène très importantePARIS-EST Marne-la-Vallee-BU (774682101) / SudocSudocFranceF

Evolution of the Indarch (EH4 chondrite) at 1 GPa and temperature

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Evolution of Indarch (EH4 chondrite) at 1 GPa and high temperature: implications for early planetary differentiation processes.

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Highly reducing conditions during core formation on Mercury: Implications for internal structure, the distribution of heat-producing elements and the origin of a magnetic field.

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Description of new shock-induced phases in the meteorites of Shergotty, Zagami, Nakhla and Chassigny

International audienceThe SNC meteorites, Shergotty, Zagami, Nakhla and Chassigny, have beenstudied by analytical transmission electron microscopy. New phases, characteristic ofstrong shock conditions, have been discovered in Shergotty, Zagami, Nakhla andChassigny : calcium-rich majorites in Shergottty, wadsleyite with anomalously elevatediron content in Chassigny and impact melts in Shergotty, Zagami and Nakhla.Cristobalites (α and β polymorphs) observed in Shergotty and Zagami may also berelated to shock and are interpreted as backtransformation products of post-stishovitesilica polymorphs. Strong shocks corresponding to pressure and temperature conditionscharacteristic of the Earth’s transition zone and lower mantle have occurred in thosemeteorites. Moreover, impact melts indicate high temperature conditions in localizedareas. On the other hand, no massive impact melting is observed in those meteorites,consistently with previous descriptions. These observations evidence highlyheterogeneous shock conditions at the scale of few micrometers in these meteorites.Strongly heterogeneous conditions such as those suggested by the present study mayhelp to interpret the preservation in martian meteorites of phases practically unaffectedby shock being very close to strongly shock-metamorphized minerals