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Approche expérimentale du fractionnement isotopique du germanium dans les conditions de formation du noyau et d’accrétion des planétésimaux

Thèse de doctorat - Date limite de candidature : 13 Juin 2021

Laboratoire d’accueil : CRPG (Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques)

Pôle scientifique : OTELo

Nature de la Bourse : Bourse ministérielle (acquise)

Directeur et Co-directeur de la thèse : Béatrice Luais, Dir. (luais@crpg.cnrs-nancy.fr), Célia Dalou, Co-dir. (celia.dalou@univ-lorraine.fr)

Description du projet :

Comment les planètes de notre système solaire se sont-elles formées et ont-elles évolué telles que nous les connaissons actuellement ? Dans l’environnement turbulent du système solaire jeune, les stades complexes et successifs des processus d’accrétion et de collision entre astéroïdes ont induit la formation d’océan magmatique, conduisant à la ségrégation de noyau métallique entouré d’un manteau silicate sous des conditions réductrices. Un questionnement majeur est l’identification de traceurs spécifiques pour identifier et quantifier ces processus. Les processus de condensation incomplète à partir de la nébuleuse protosolaire, le partage préférentiel des éléments dans le noyau en fonction de conditions redox, de pression et de température, et les processus d’évaporation durant les stades d’océan magmatique, contrôlent la composition des réservoirs silicatés des planètes. Les éléments sidérophiles (affinité pour le Fer) et volatils fortement fractionnés entre ces réservoirs sous les conditions extrêmes de formation et d’évolution planétaires, et par volatilisation lors des processus d’accrétion, sont fortement appauvris dans les réservoirs silicatés comparés à la composition des corps parents indifférenciés (Siebert et al., 2011 ; Righter et al., 2011 ; Sossi et al., 2019). Ce sont des traceurs privilégiés pour comprendre les causes et paramètres de cet appauvrissement, et par conséquent les mécanismes gouvernant l’évolution des planètes.

Objectifs :

Ce projet propose d’étudier les processus de la différenciation métal-silicate des planétésimaux par une approche expérimentale du fractionnement élémentaire et isotopique d’éléments sidérophiles et volatils en fonction des paramètres-clés thermodynamiques, et d’en évaluer les conséquences sur la composition isotopique des réservoirs silicatés planétaires, Mars, Vesta, et la Lune.

Méthodes :

Dans le cadre de ce projet, cette thèse aura pour objectifs de réaliser des expériences en laboratoire de partage métal-silicate du germanium, élément sidérophile et volatil (Luais, 2007, 2012 ; Florin et al., 2020), en fonction de la température, fugacité d’oxygène, pression, et de mesurer les compositions élémentaires et isotopiques de ces phases. Il couple principalement deux méthodes :

(1) Des expérimentations à partir de matériaux synthétiques, à haute température, à différentes fO2, sous faible-moyenne pression pour déterminer le fractionnement métal-silicate à l’équilibre, et à 1 atm pour évaluer les effets de l’évaporation et du partage métal-silicate (plateforme de Pétrologie Expérimentale du CRPG)

(2) Une chimie de séparation et analyse isotopique du Ge dans les phases métal et silicate des charges expérimentales par spectrométrie de masse à source plasma (plateforme de spectrométrie MC-ICPMS-NeptunePlus - CRPG). Les résultats nous permettront de quantifier à la fois la gamme et le sens du fractionnement isotopique en fonction des processus et des conditions thermodynamiques. Ce sujet se place dans un contexte international où des travaux récents mettent en avant le rôle de l’évaporation durant le différenciation des planètes, lors des stades de fusion et de formation d’océan magmatique (Young et al., 2019, Jordan et al., 2019).

Collaborations :

L’étudiant(e) sera intégré(e) dans le thème ’Formation du Système Solaire et des Planètes’, et les plates-formes analytiques de Pétrologie Expérimentale et TIMS - MC-ICP-MS du CRPG. Il (elle) bénéficiera de collaborations étroites avec des chercheurs et ingénieurs de ces plateformes, ainsi qu’avec des chercheurs de IRAP-Toulouse et MNHN-Paris associés à ce projet.

Profil du candidat :

Un diplôme de master ou d’ingénieur dans le domaine des Sciences de la Terre et de l’Univers est requis à la date de début du contrat. Des connaissances solides en cosmochimie et/ou planétologie, et des expériences en techniques de laboratoire en géochimie et /ou expérimentation sont indispensables. Un bon niveau de maitrise en langues vivantes (français et anglais) et une bonne qualité rédactionnelle sont requis.

Bibliographie :

Florin G. Luais B., Rushmer T., Alard O. (2020) Influence of redox processes on the germanium isotopic composition of ordinary chondrites. Geochim Cosmochim Acta 269, 270-291.

Jordan, M. K., Tang, H., Kohl, I. E., & Young, E. D. (2019). Iron isotope constraints on planetesimal core formation in the early solar system. Geochimica et Cosmochimica Acta, 246, 461-477.

Luais B. (2007) Isotopic fractionation of Germanium in Iron Meteorites : significance for nebular condensation, core formation and impact processes. Earth Planet Sci Lett. 262, 21-36

Luais B. (2012) Germanium chemistry and isotopic measurements of Fe-Ni, Zn alloys and silicate matrices using MC-ICPMS : insights into deep Earth processes. Chemical Geology 334, 295-311.

Righter, K., King, C., Danielson, L., Pando, K., & Lee, C. T. (2011). Experimental determination of the metal/silicate partition coefficient of Germanium : Implications for core and mantle differentiation. Earth and Planetary Science Letters, 304(3-4), 379-388.

Roskosz M, Luais B, Watson H.C., Toplis M., Alexander C., Mysen B.O. (2006). Experimental quantification of the fractionation of Fe isotopes during metal segregation from a silicate melt. Earth Planet Sci Lett, 248, 851-867.

Siebert, J., Corgne, A., & Ryerson, F. J. (2011). Systematics of metal–silicate partitioning for many siderophile elements applied to Earth’s core formation. Geochimica et Cosmochimica Acta, 75(6), 1451-1489.

Sossi, P. A., Klemme, S., O’Neill, H. S. C., Berndt, J., & Moynier, F. (2019). Evaporation of moderately volatile elements from silicate melts : experiments and theory. Geochimica et Cosmochimica Acta, 260, 204-231.

Young, E. D., Shahar, A., Nimmo, F., Schlichting, H. E., Schauble, E. A., Tang, H., & Labidi, J. (2019). Near-equilibrium isotope fractionation during planetesimal evaporation. Icarus, 323, 1-15.

Début et fin du financement : du 1er octobre 2021 - 2024

Voir en ligne : Candidature sur le site de l’Université de Lorraine/Ecoles Doctorales




publié mardi 4 mai 2021