Origin of terrestrial volatile elements : constraints from noble gases

Abstract

L’origine des éléments volatils, éléments avec des températures de condensation très basses comme l’eau, l’azote, le carbone et les gaz rares, sur Terre et sur les autres planètes telluriques reste mal comprise. Comprendre comment ces éléments sont arrivés sur Terre permettra de mieux appréhender les mécanismes de formation du système solaire. De par leur caractère inerte, les gaz rares (He, Ne, Ar, Kr, Xe) constituent des traceurs uniques des sources d’éléments volatils. L’étude de la composition en gaz rares du manteau terrestre s’avère donc essentielle afin de déterminer l’origine de ces éléments. L’objectif de ces travaux était de mesurer précisément la composition des isotopes stables et non-radiogéniques des gaz rares dans le manteau à partir de verres basaltiques. Ces derniers étant très souvent contaminés par l’air, des techniques d’analyse des gaz rares ont été mises en place pour s’affranchir de cette contamination. Des échantillons du volcan Fernandina du point chaud des Galápagos ont été étudiés par ablation laser. Les résultats montrent que le rapport 20Ne/22Ne des bulles est en moyenne de 12,65 ± 0,04 (1σ), ce qui est proche de la valeur estimée pour le pôle d’implantation du vent solaire (~ 12,7). Cette étude suggère donc que l’implantation du vent solaire sur les grains précurseurs de la Terre serait à l’origine des éléments volatils légers du manteau.Des données d’échantillons de popping rocks, aussi analysés par cette technique, indiquent que le manteau supérieur est hétérogène à petite échelle et pourraient impliquer le recyclage de gaz rares dans le manteau, y compris He, Ne, lors de la subduction. Un nouveau protocole d’analyse du Kr et Xe a été développé. Les résultats montrent les plus forts excès en 124Xe, 126Xe et 128Xe mesurés pour le manteau et suggèrent une source chondritique. Les isotopes fissiogéniques du xénon ont permis de dater le début du recyclage des éléments volatils dans le manteau aux alentours de 3 Ga.The origin of volatiles, elements with low condensation temperatures such as water, nitrogen, carbon and noble gases, on Earth and other terrestrial planets is still misunderstood. Determining how these elements were delivered to the Earth will allow a better understanding of the processes of solar system formation. Due to their inertness, noble gases (He, Ne, Ar, Kr, Xe) constitute unique tracers of volatiles sources. Studying the noble gas composition of the Earth’s mantle is hence critical to unravel volatile origin. The aim of this PhD was to measure precisely the composition of non-radiogenic, stable noble gas isotopes in the mantle from basaltic glasses. The latter being very often contaminated by air, analytical techniques were thus set up to overcome this contamination.Samples from Fernandina volcano from the Galápagos hotspot were studied with laser ablation. The results show that the mean 20Ne/22Ne ratio in the vesicles is 12.65 ± 0.04 (1σ), close to the estimated value of the solar wind implanted end-member (~ 12,7). This study suggests that light volatiles in the mantle would originate from implantation of solar wind on the Earth’s precursors grains. Data from popping rock samples, also analyzed with this technique, indicate that the upper mantle is heterogeneous at small scale and that noble gases, included He, Ne, could be recycled into the mantle in subduction zones. A new protocol to analyse Kr and Xe was set up. The results show the highest measured excess in 124Xe, 126Xe and 128Xe for the mantle and suggest a chondritic source. The xenon fissiogenic isotopes allowed us to constrain the onset of volatile recycling in the mantle to around 3 Ga