Distribution de l'HYDRogène dans le disque protoplanétaire et contribution des météorites aux budgets en volatils des planètes TElluriques – HYDRaTE

Pour les échantillons les plus hydratés, nous utilisons une méthode par SIMS récemment développée (Piani et al., Nat. Astr. 2018) afin de déterminer la composition de l'eau des corps parents. Cette méthode permet de s'affranchir de la contribution en hydrogène des composés organiques inséparables des minéraux hydratés dans les météorites. Ces mesures permettent d'obtenir des informations exhaustives sur l'origine de l'eau des matériaux primitifs du Système Solaire.

Nous étudions également la distribution de l'hydrogène dans les chondres, assemblages silicatés de haute température et constituants principaux des chondrites, via une approche à la fois expérimentale et analytique. Des expériences de laboratoire permettent de fondre et cristalliser des analogues de chondres dans des conditions se rapprochant de celles du disque protoplanétaire (basse pression totale, basse fugacité d'oxygène) et avec de fortes pressions partielles de H2 et/ou H2O. Nous étudions ainsi les conséquences de la présence de gaz riches en hydrogène dans l'environnement de formation des chondres et nous produirons des données thermodynamiques régissant le partage de l'hydrogène et ses fractionnements isotopiques entre les différents silicates des chondres des chondrites. Ces résultats expérimentaux seront comparés aux mesures de compositions en hydrogène que nous réaliserons dans les objets naturels. En effet, un des objectifs majeurs de HYDRaTE sera de quantifier la concentration d'hydrogène et la composition D/H des silicates des chondres des différents types de chondrites, avec une attention particulière pour les chondrites à enstatite, qui semblent être les matériaux les plus proches de ceux qui ont formé la Terre. Nous pourrons ainsi déterminer la contribution des différentes catégories de chondrites aux budgets en hydrogène de la Terre et des autres corps planétaires du Système Solaire interne.

- Nous avons utilisé la méthode de mesure in situ en sonde ionique « D/H vs. C/H » (Piani et al. 2018, Nat. Astro.) pour estimer la composition isotopique de l’eau de nombreuses chondrites carbonées (CM, CI, CO, non-groupées). Les données révèlent des variations D/H importantes entre les différents groupes de chondrites. Nous montrons que ces variations ne sont pas le résultat de processus secondaires sur le corps parent astéroïdal et proposons un modèle pour expliquer la distribution du D/H de l’eau et de la matière organique au moment de la formation de ces différentes chondrites. Ces résultats ont été soumis pour publication en février 2021 et publié dans la revue Earth and Planetary Science Letters (EPSL) en mai 2021. Des mesures complémentaires dans de nouvelles chondrites pourront affiner ces résultats dans le futur.

- Les chondrites à enstatite sont considérées comme de bons analogues des roches qui ont majoritairement formées la Terre. Un des premiers travaux du projet HYDRaTE a été d'analyser la teneur et la composition isotopique de l'hydrogène dans une douzaine de chondrites à enstatite en roche totale puis de localiser l'une des phases porteuses de l'hydrogène par analyse in situ en sonde ionique. Les résultats obtenus montrent que ces météorites pourraient avoir apporté au moins trois fois la quantité totale d'hydrogène présent dans l'eau des océans terrestres. La composition isotopique en hydrogène des chondrites à enstatite est en parfait accord avec celle de l'eau stockée dans le manteau terrestre primitif. Nous montrons également qu'une grande partie de l'azote atmosphérique pourrait aussi provenir des chondrites à enstatite, faisant de ces roches, analogues des constituants principaux de la Terre, les pourvoyeurs des éléments fondamentaux pour le développement de la vie sur Terre. Ces résultats ont été publiés dans la revue Science en août 2020.

Des analyses sont en cours pour préciser: (1) la nature des différentes phases porteuses de l'hydrogène des chondrites à enstatite, (2) la compositions isotopiques de l'hydrogène dans ces différentes phases porteuses, ainsi que (3) les teneurs et compositions isotopiques des autres éléments volatils (C, N, S, halogènes) qui pourraient être couplés à l'hydrogène et avoir une origine commune. L'intérêt de ce travail est de mieux contraindre les environnements de formation des phases porteuses des éléments volatils des chondrites et la distribution des éléments volatils dans le disque protoplanétaire au moment de la formation des planètes. A terme, ce travail pourrait être étendu à d'autres classes de chondrites.

Publications:

Vacher L.G., Piani L., Rigaudier T., Thomassin D., Florin G., Piralla M., Marrocchi Y. (2020). Hydrogen in chondrites: Influence of parent body alteration and atmospheric contamination on primordial components. Geochimica et Cosmochimica Acta 281, 53-66. DOI: 10.1016/j.gca.2020.05.007

Piani L., Marrocchi Y. , Rigaudier T. , Vacher L.G. , Thomassin D., Marty B. (2020) Earth’s water may have been inherited from material similar to enstatite chondrite meteorites. Science, Vol. 369, Issue 6507, pp. 1110-1113. DOI: 10.1126/science.aba1948

Piani L., Marrocchi Y., Vacher L. G., Yurimoto H., Bizzarro M. (2020) Origin of hydrogen isotopic variations in chondritic water and organics. Earth and Planetary Science Letters, Vol. 567, 117008. DOI: doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117008

Communications:

Goldschmidt conference 2021 (invited talk) - Piani L., Marrocchi Y., Rigaudier T., Vacher L. G., Thomassin D., Marty M. Earth’s water may have been inherited from material similar to enstatite chondrite meteorites.

Invited seminar:

June, 2021 - TRR-170/Planetology Colloquium, University of Münster (online)

April, 2021 - Institute of Geological Sciences, University of Bern (online)

March, 2021 - Société Française d'Exobiologie (online & vidéo)

February, 2021 - ZJU Earth Data Webinar, Zhejiang University, China (online & video)

November, 2020 - Cosmochat at ETH Zurich (online)

October, 2020 - IPGP Paris, CAGE-group seminar (online)

February, 2020 - CNRS Winter School, Les Houches - Piani L., Chondritic water and volatils (solarsystem2020.wordpress.com/)

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de notre Système Solaire, pourtant de nombreuses questions restent en suspens quant à sa distribution au sein des solides planétaires et son origine en tant que constituant de l'eau présente sur Terre et sur les autres corps planétaires du Système Solaire interne. Le projet HYDRaTE propose d'apporter des éléments déterminants pour comprendre la distribution de l'hydrogène dans le disque protoplanétaire, il y a 4.56 milliard d'années, par l'étude des matériaux les plus primitifs dont nous disposons : les météorites primitives -les chondrites-, les micrométéorites et les grains d'astéroïdes hydratés qui vont être rapportés par les missions spatiales en cours. Rassemblant de nombreuses compétences complémentaires, l'équipe menée par Laurette Piani, chercheuse au Centre de Recherches Pétrologiques et Géochimiques (CRPG) à Nancy, et constituée de responsables de plateformes instrumentales, d'ingénieurs, d'étudiants et de trois chercheurs externes, utilisera une approche pluridisciplinaire pour (i) mesurer la concentration et la composition isotopique de l'hydrogène (rapport D/H) dans les phases porteuses de l'hydrogène des chondrites, (ii) déterminer par une étude expérimentale les conditions les plus propices à la formation de poussières primordiales riches en hydrogène, (iii) quantifier la contribution des matériaux chondritiques au budget en hydrogène de la Terre et des autres corps planétaires du Système Solaire interne. Le projet s'appuiera sur la présence au CRPG d'un parc analytique et expérimental de pointe. En particuliers, les spectromètres de masse à ions secondaires (SIMS) de dernière génération équipés des nouvelles sources à oxygène Hypérion seront au cœur du projet permettant l'analyse in-situ de l'hydrogène tant dans les minéraux hydratés que nominalement anhydres.
Pour les échantillons les plus hydratés, nous utiliserons une méthode fondée sur la mesure simultanée par SIMS des rapports D/H et C/H afin de déterminer la composition de l'eau des corps parents. Cette méthode, récemment développée par L. Piani, permet de s'affranchir de la contribution en hydrogène des composés organiques inséparables des minéraux hydratés dans les chondrites et micrométéorites. Ces mesures, couplées à de l'imagerie ionique pour déterminer la composition isotopique des composés organiques, permettront d'obtenir des informations exhaustives sur l'origine des molécules les plus volatiles des matériaux primitifs du Système Solaire.
Nous étudierons également la distribution de l'hydrogène dans les chondres, assemblages silicatés de haute température et constituants principaux des chondrites, via une approche à la fois expérimentale et analytique. Des expériences de laboratoire seront montées afin de fondre et cristalliser des analogues de chondres dans des conditions se rapprochant de celles du disque protoplanétaire (basse pression totale, basse fugacité d'oxygène) et avec de fortes pressions partielles de H2 et/ou H2O. Grace à ces expériences, nous étudierons les conséquences de la présence de gaz riches en hydrogène dans l'environnement de formation des chondres et nous produirons les premières données thermodynamiques régissant le partage de l'hydrogène et ses fractionnements isotopiques entre les différents silicates des chondres des chondrites. Ces résultats expérimentaux seront comparés aux mesures de compositions en hydrogène que nous réaliserons dans les objets naturels. En effet, un des objectifs majeurs de HYDRaTE sera de quantifier la concentration d'hydrogène et la composition D/H des silicates des chondres des différents types de chondrites, avec une attention particulière pour les chondrites à enstatite, qui semblent être les matériaux les plus proches de ceux qui ont formé la Terre. A terme, nous pourrons ainsi déterminer la contribution des différentes catégories de chondrites aux budgets en hydrogène de la Terre et des autres corps planétaires du Système Solaire interne.