La différenciation des planètes : approche expérimentale et théorique du fractionnement isotopique du Germanium. – PlanetGEM

Comment les planètes de notre système solaire se sont formées et différenciées ? Dans l’environnement turbulent du Système Solaire jeune se sont succédés des évènements d'accrétion, de collision et de bombardement entre corps astéroïdaux qui ont conduits à la formation d’océan magmatique, et la ségrégation d’un noyau métallique et d’un manteau silicaté sous des conditions réduites. Les éléments sidérophiles (affinité pour le Fer) et volatils sont fortement fractionnés entre ces réservoirs sous les conditions extrêmes de formation et d’évolution planétaires, avec un appauvrissement dans les réservoirs silicatés comparés à la composition des corps parents indifférenciés. Le fractionnement des isotopes stables des éléments sidérophiles, identifié dans les météorites de Mars, Vesta, la Lune, et la Terre silicatée, et par des expérimentations métal-silicate, montre des résultats contradictoires. Plusieurs points doivent être examinés afin de comprendre cet appauvrissement : (1) la recherche de nouveaux traceurs pour quantifier les conditions rédox, et de pression, température de formation et différenciation des planétésimaux, (2) la chronologie relative des processus de ségrégation métal-silicate et d’évaporation au stade d’océan magmatique, (3) les processus de perte d‘éléments volatils, par évaporation de l’océan magmatique, conséquence d’impacts.
PlanetGEM est un projet multi et interdisciplinaire visant à utiliser le germanium et ses isotopes, élément modérément sidérophile ET volatil, un nouveau traceur dans des approches originales expérimentales et théoriques des conditions (P, T, fO2) lors processus de ségrégation métal-silicate et d’évaporation. Ce projet est basé sur (1) une approche isotopique expérimentale de pointe pour déterminer le sens et la gamme de fractionnement isotopique entre métal et silicate sous des gammes de P, T, fO2 cohérentes avec l’équilibre noyau-manteau. Il sera aussi examiné le fractionnement isotopique induit par les processus d’évaporation lors de stades d’océan magmatique ou d’accrétion. (2) Ces expérimentations seront couplées à des calculs ab initio novateurs basés sur une résolution numérique des équations de la mécanique quantique pour quantifier le fractionnement isotopique escompté à l’équilibre, en fonction de P et fO2. (3) Ces résultats sur le sens et la gamme du fractionnement isotopique du Ge permettront d’interpréter les signatures isotopiques en Ge qui seront acquises sur des échantillons naturels (météorites différenciées, manteau et croûte terrestre). En complément, afin de déconvoluer les processus de fractionnement métal-silicate et d’évaporation, les isotopes du germanium seront combinés à Zn et Si, éléments de comportement complémentaire (Zn volatile, mais non sidérophile) et Si (non volatile, et sidérophile pour des fO2 très réduites).
Ce défi scientifique, sur 4 ans, est porté par les quatre équipes du consortium PlanetGEM : CRPG-Nancy, IRAP, GET et CIRIMAT-Toulouse, avec des expertises complémentaires en géochimie isotopique, pétrologie/cosmochimie expérimentale, et en calculs théoriques du fractionnement isotopique. Des collaborations sont établies avec le LMV (Plate-Forme Nationale CNRS, Clermont-Fd) pour des expérimentations haute pression, et avec des experts en modélisation isotopique, et de la géochimie de Ge des manteaux planétaires. Cette approche multi-interdisciplinaire apportera des résultats nouveaux qui seront présentés/publiés lors de conférences/journaux internationaux, et archivés dans HAL, archives ouvertes (CNRS). Elle encouragera les interactions entre chercheurs des Sciences de la Terre et des Matériaux. Le germanium étant un métal stratégique, la compréhension du fractionnement isotopique dans les conditions (P, redox) variables pourront servir à contraindre les procédés de recyclage et production des «nouvelles technologies vertes». Ces résultats sur le germanium seront complémentaires aux recherches «Métaux stratégiques du Futur» du LABEX R21 -Nancy.