Fractionnements isotopiques du carbone et du soufre pendant la différenciation planétaire – CSI-Planet

CSI Planet combine des expériences à haute température et haute pression avec des analyses chimiques et isotopiques in situ. De nouveaux matériaux de référence ont été synthétisés et caractérisés afin de permettre l’analyse du C et du S par sonde ionique (SIMS) dans des verres silicatés réduits (Chavanieu et al. under review) et des alliages Fe-Ni±Si (Dalou et al. 2024: Dalou et al. under review). Des développements par microsonde électronique (EPMA) ont également permis d’obtenir des cartographies quantitatives bidimensionnelles du S dans les verres expérimentaux. Ces cartographies ont été moyennées pour construire des profils de concentration à haute résolution, ensuite modélisés afin de déterminer les coefficients de diffusion du soufre (Chavanieu et al. under review).

De nouveaux matériaux de référence et des protocoles analytiques ont été développés pour le soufre dans les verres silicatés et les alliages métalliques, ainsi que pour le carbone dans les alliages. En revanche, la très faible solubilité du carbone dans les verres silicatés sous conditions réductrices reste un verrou pour les mesures isotopiques par SIMS.

Les expériences de ségrégation métal–silicate mettent en évidence des fractionnements isotopiques du soufre négatifs, contrôlés par la température, la fugacité d’oxygène et la composition du métal (Dalou et al. in prep.). Ces résultats montrent que la formation du noyau ne peut pas expliquer la composition isotopique sub-chondritique en soufre du manteau terrestre, mais qu’elle a pu contribuer significativement à la signature positive en δ³⁴S du manteau lunaire.

Les expériences d’évaporation montrent par ailleurs que la présence d’hydrogène accélère la diffusion du soufre dans les liquides silicatés réduits et modifie fortement son fractionnement isotopique lors de l’évaporation (Chavanieu et al. in prep.).

Les outils analytiques et les nouvelles données de diffusion et de fractionnements isotopiques obtenus dans CSI Planet permettront de mieux contraindre la redistribution et la perte des éléments volatils au cours des premiers stades de l’évolution des planètes telluriques. La poursuite des développements analytiques sur le carbone dans les verres silicatés réduits constitue désormais une étape essentielle pour étendre cette approche aux isotopes du carbone et mieux contraindre conjointement les cycles précoces du carbone et du soufre.

Ce projet vise à comprendre l'origine des différences des signatures élémentaires et isotopiques en carbone et en soufre entre la Terre et Mars. Grâce à une approche expérimentale, ce projet déterminera le partage et les fractionnements isotopiques du carbone et du soufre lors de la formation des noyaux planétaires et lors de la formation des atmosphères primitives, ainsi que l'effet des différences de conditions initiales de formation de la Terre et Mars (teneur en S et H, fugacité d'oxygène fO2) sur ces fractionnements.
Au cours de leur formation, la Terre et Mars ont subi une phase d'océan magmatique au cours de laquelle elles ont été en grande partie ou complètement fondues. Cette étape était primordiale car elle a permis la ségrégation d'un noyau métallique du manteau silicaté et la formation d'une atmosphère primitive par le dégazage de l'océan magmatique. Ces processus de formation planétaire ont modifié les concentrations originales et les compositions isotopiques des éléments volatils (H, C, N et S) sur Terre et Mars. L'évolution du C et du S est particulièrement importante pour le développement de conditions favorables à l'émergence de molécules prébiotiques et au maintien de la vie.
Ce projet déterminera si les différences des conditions de formation (la taille des planètes, i.e. les conditions pression-température, P–T; la fO2; les teneurs initiales en éléments volatils) peuvent expliquer les différences observées dans les compositions élémentaires et isotopiques de l'intérieur de la Terre et de Mars.
À l'aide d'appareils de haute pression et de techniques analytiques de pointe au CRPG, le fractionnement du C et du S et de leurs isotopes sera déterminé des échantillons expérimentaux représentatifs et ces nouvelles données seront utilisées pour reconstruire les compositions isotopiques en C en S de la proto-Terre et de la proto-Mars (avant leur différenciation) afin de déterminer si le C et le S sur la Terre et sur Mars partage une origine commune.