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Soutenance de thèse de Guillaume Avice

Vendredi 18 mars 2016 à 14h, amphi du CRPG

Origine et évolution du xénon et des autres gaz rares atmosphériques : implications géodynamiques et atmosphériques

Résumé

L’origine des éléments volatils terrestres demeure énigmatique. Les compositions élémentaire et isotopique de l’atmosphère terrestre ont été bouleversées par de nombreux évènements dans l’histoire de la Terre tels que les contributions de matière extraterrestre, le dégazage mantellique, les fuites atmosphériques etc, empêchant l’identification directe des composantes cosmochimiques originelles. Parmi les gaz rares, le xenon (Xe) atmosphérique est encore plus mystérieux. Il ne semble pas être issu ni de la nébuleuse protosolaire ni des objets du système solaire interne. De plus, le xénon atmosphérique est appauvri par rapport aux autres gaz rares (Ne, Ar et Kr) et à l’abondance de ceux-ci dans les météorites. Il présente également un fort fractionnement isotopique par rapport aux autres composantes du système solaire. Ces deux caractéristiques forment le paradoxe du xénon.

Au cours de cette étude, des analyses de l’abondance et de la composition isotopique des gaz rares et de l’azote dans des échantillons anciens (3.2 Ga à 500 Ma) ont été effectuées afin de suivre l’évolution de la composition élémentaire et isotopique de l’atmosphère au cours du temps. L’analyse haute précision des rapports isotopiques du xénon dans les échantillons archéens de Barberton (3.2 Ga) a permis de calculer la composition isotopique de départ de l’atmosphère terrestre. Cette composition isotopique est différente de celle du Soleil et des chondrites et est similaire au U-Xe, une composition théorique. Une telle composition de départ pourrait avoir été apportée à l’atmosphère terrestre par l’intermédiaire de corps cométaires. Les résultats de la mission Rosetta en orbite autour de la comète 67P/C-G confortent cette hypothèse puisqu’ils démontrent que tout l’argon atmosphérique pourrait avoir été apporté par de tels objets. Il y a 3.2 Ga, l’argon atmosphérique avait un rapport 40Ar/36Ar de 200 ce qui est en accord avec les modèles d’extraction crustale importante pendant l’Archéen. De plus, le faible excès de 129Xe présent dans l’atmosphère terrestre il y a 3.2 Ga permet de calculer, pour la première fois, un taux de dégazage de 9 mol.a−1 pour la Terre silicatée sur les derniers 3.2 Ga. Un taux de dégazage aussi important pourrait être le signe d’une convection mantellique importante alimentée par la production de chaleur intense dans la Terre primitive. L’évolution de la composition isotopique du xénon atmosphérique est désormais connue avec une excellente résolution temporelle et isotopique. Le fractionnement isotopique du xénon atmosphérique a marqué un arrêt d’au moins 400 Ma entre 3.2 Ga et 2.7 Ga. Cet arrêt du fractionnement est peut-être le signe d’un arrêt de la fuite du Xe pendant cette période. Le fractionnement isotopique moderne a été atteint il y a environ 2 Ga. Les deux caractéristiques du paradoxe du xénon, l’appauvrissement élémentaire et le fractionnement isotopique, se sont donc établies progressivement au cours des temps géologiques. Une telle évolution requiert le développement de nouveaux modèles de fuite du xénon sur le long terme. Une fuite hydrodynamique d’hydrogène accompagnée par l’ionisation du xénon semble être prometteuse.

Pour le Xe du manteau, l’étude isotopique du Xe contenu dans des gaz d’origine mantellique (Eifel, Allemagne) démontre que les gaz rares lourds dans ce réservoir ont une origine chondritique et donc différente de l’atmosphère terrestre. De plus, le xénon présente des excès liés à la fission du plutonium indiquant que le manteau profond, source du Xe contenu dans ces gaz, est resté isolé pendant les derniers 4.45 Ga. Enfin, un apport tardif de matériel riche en éléments volatils est nécessaire pour expliquer les hétérogénéités chimiques entre le manteau supérieur et inférieur.

Jury

Chris BALLENTINE (University of Oxford), rapporteur
Nick ARNDT (UJF Grenoble), rapporteur

Marc CHAUSSIDON (IPGP), examinateur
Yves MARROCCHI (CRPG), examinateur

Bernard MARTY (CRPG - Université de Lorraine), directeur de thèse
Raymond BURGESS (University of Manchester), directeur de thèse




publié vendredi 4 mars 2016