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Contraintes Expérimentales sur l'Origine des Eléments Volatiles sur Terre – VOLTERRE

VOLTERRE/ Contraintes expérimentales sur l’origine des éléments volatils sur Terre

Les éléments volatils (e.g. H, C, S) jouent un rôle fondamental pour l’évolution des planètes. Mais quand et comment le budget des éléments volatils s'est établi et les mécanismes qui expliquent leurs appauvrissements restent méconnus et représentent un obstacle fondamental pour la compréhension des processus chimiques liés à la formation des planètes terrestres. Ce projet expérimental novateur décliné sur trois axes doit apporter des contraintes nouvelles sur l'origine des volatils sur Terre.

Comprendre l'origine des éléments volatils sur Terre

Les éléments volatils (e.g. H, C, S) jouent un rôle fondamental pour l’évolution des planètes. Mais quand et comment le budget des éléments volatils s'est établi et les mécanismes qui expliquent leurs appauvrissements restent méconnus et représentent un obstacle fondamental pour la compréhension des processus chimiques liés à la formation des planètes terrestres. Deux théories s’affrontent. Soit la terre s’est accrétée avec des matériaux ‘secs’ totalement appauvris en volatils. Dans ce cas, le complément en éléments volatils s'est ajouté tardivement, une fois la Terre différenciée en un noyau et un manteau, avec l’apport d’un vernis tardif. Soit la Terre s’est formée à partir de matériaux ‘humides’ et les éléments volatils étaient présents durant les principaux épisodes d’accrétion et de différenciation de la Terre. L’empreinte de la formation du noyau sur la géochimie des éléments à la fois sidérophiles et volatils peut permettre de discriminer entre ces deux scénarios contradictoires. Dans ce projet de recherche, on réalise des expériences à haute pression et haute température qui reproduisent les conditions de formation du noyau terrestre. Les signatures géochimiques d’éléments volatils et sidérophiles obtenues à partir des équilibres métal-silicate de ces expériences vont apporter des contraintes nouvelles sur l’origine des volatils sur Terre. Une approche expérimentale originale et novatrice combinant des expériences à haute pression et haute température et des analyses de hautes résolutions sur nos échantillons trempés sera développée.

Le programme de recherche se divise en trois partie distinctes:
(1) Détermination du coefficient de partage d’éléments volatils et sidérophiles aux conditions directes de pression et température de la base de l’océan magmatique. Des expériences de cellule à enclumes diamant couplées au chauffage laser ont été produites sur des gammes de pression et température comprises respectivement entre 30 et 80 GPa et entre 3000 et 4800 °C. Des protocoles expérimentaux ont été développés avec succès pour utiliser pour la première fois la NanoSIMS (sonde ionique de très haute résolution) comme instrument de mesures quantitatives des éléments en traces dans ce type d’échantillons.
(2) Détermination des fractionnements isotopiques entre métal et silicate au cours de la formation du noyau pour des éléments volatils et sidérophiles (e.g. S, Zn, Cu…). Ces données apportent une contrainte nouvelle et indépendante sur l’origine des éléments volatils sur Terre et le budget de ces éléments dans le noyau. Ce volet du projet est mené par Brandon Mahan un étudiant en thèse financé en partie par l’ANR VolTerre. Des expériences en presse piston-cylindre ont été conduites sur des gammes de température comprises entre 1200 et 1800 °C à 2 GPa. Ces mesures impliquent également la mise en place de protocoles de séparation chimique élémentaire.
(3) Détermination de la spéciation du soufre dans les alliages (Fe, S) pour différentes teneurs en soufre. Cette partie doit permettre de comprendre les mécanismes qui produisent un fractionnement isotopique du soufre dans les équilibres métal-silicate. Les alliages (Fe, S) avec des teneurs variables en soufre sont en cours de synthèse (produits expérimentaux des expériences présentées en partie 2). Les mesures d’absorption X (µ-XANES) sur source synchrotron (ESRF) seront effectuées au cours de l’année (2018-2019). Une demande de temps de faisceau sera déposée à la rentrée 2017.

Aux conditions de pression et température des expériences de cellule à enclumes diamant qui correspondent aux conditions directes de la formation du noyau, on montre que le soufre est moins sidérophile que prévu. La conséquence directe de ce résultat est que le soufre n’est pas un élément léger majeur de la composition du noyau (<2 wt%).
- Des résultats de partages métal-silicate du gallium montrent que les abondances en éléments volatils sur Terre sont affectées par des processus post-nébulaires comme les impacts au cours de l’accrétion.
- L’exsolution de MgO solubilisé dans le fer métal pendant la formation du noyau est une source d’énergie suffisante pour générer le champ magnétique de la Terre primitive par convection du noyau externe.
- La différence de composition isotopique du soufre entre la terre et les chondrites pourrait être expliquée par des équilibres métal-silicate pendant la formation du noyau. Suivant cette hypothèse, les éléments volatils auraient été présents dès les premiers stades de l’accrétion terrestre.
- Des résultats de partages métal-silicate du potassium et uranium montrent que ces éléments radioactifs peuvent représenter la source d’énergie manquante pour initier la geodynamo de la Terre Hédéenne
Des résultats de partages métal-silicate du soufre et Zinc montrent que l’apport des éléments volatils sur Terre doit principalement venir de larges impacteurs dans les stades terminaux de la différenciation et de l’accrétion terrestre.

Parmi les perspectives du projet figurent le développement de techniques et de méthodologies pour:
(1) La détermination du partage des éléments traces sur des échantillons DAC en utilisant la nanoSIMS. Cette puissante combinaison de méthodes HP-HT et d'instruments analytiques sera adaptée à l'étude du comportement d'autres éléments volatils et sidérophiles (VSE) qui sont mal intégrés dans les modèles d'accrétion et de formation de noyau (e.g. Ge, As, In, Sb ou Pb).
(2) La détermination du fractionnement isotopique du soufre entre métal et silicate à HP-HT. Le développement à l'IPGP de cette approche prometteuse qui combine mesures isotopiques et pétrologie expérimentale à HP-HT représente une première étape vers de nombreux travaux futurs. Par exemple, l'étude du fractionnement isotopique d'autres VSE doit être considérée comme un apport de contraintes supplémentaires sur l'arrivée et l'accrétion des volatils sur Terre. Les cosmochimistes / géochimistes à l'IPGP développent actuellement de nouvelles méthodes analytiques pour les mesures MC-ICP-MS des systèmes isotopiques stables non traditionnels pour les éléments volatils (y compris Zn, Cr, Cu et Ga).
En conséquence, le développement de ces approches expérimentales constituera la base d'une future proposition ERC (au cours des deux prochaines années) qui complètera parfaitement le programme du projet VolTerre.
Enfin, une fois ces techniques et méthodologies établies, elles trouveront de grandes applications pour l'étude des processus interne de la Terre (par exemple, la fusion partielle du manteau, le fractionnement isotopique lié aux transitions de phase à haute pression, la cristallisation d'un océan de magma profond) .
Compte tenu d'un intérêt aussi large et varié, nous avons l'intention d'assurer une large diffusion des résultats de cette étude, à travers les communautés de la géochimie, de la pétrologie expérimentale et de la géophysique, mais aussi dans les sciences planétaires et sciences des matériaux.

1. J. Siebert and A. Shahar (2015). An experimental geochemistry perspective on Earth's core formation. Geophysical Monograph Series, The Early Earth: Accretion and Differentiation, 103-121.
2. I. Blanchard, J. Badro, J. Siebert, F. J. Ryerson (2015

Les éléments volatils (e.g. H, C, S) jouent un rôle fondamental sur l’évolution des planètes. Mais quand et comment le budget des éléments volatils s'est établi et les mécanismes qui expliquent leurs appauvrissements restent méconnus et représentent un obstacle fondamental pour la compréhension des processus chimiques liés à la formation des planètes terrestres. Deux théories s’affrontent. Soit la terre s’est accrétée avec des matériaux ‘secs’ totalement appauvris en volatils. Dans ce cas, le complément en éléments volatils s' est ajouté tardivement, une fois la Terre différenciée en un noyau et un manteau, avec l’apport d’un vernis tardif. Soit la Terre s’est formée à partir de matériaux ‘humides’ et les éléments volatils étaient présents durant les principaux épisodes d’accrétion et de différenciation de la Terre. L’empreinte de la formation du noyau sur la géochimie des éléments à la fois sidérophiles et volatils peut permettre de discriminer entre ces deux scénarios contradictoires. Dans ce projet de recherche, des expériences à haute pression et haute température qui reproduisent les conditions de formation du noyau terrestre vont être conduites. Les signatures géochimiques de trois éléments volatils et sidérophiles le soufre, le sélénium et le tellurium obtenues à partir des équilibres métal-silicate de ces expériences vont apporter des contraintes nouvelles sur l’origine des volatils sur Terre. Une approche expérimentale originale et novatrice combinant des expériences à haute pression et haute température et des analyses de hautes résolutions sur nos échantillons trempés sera développée. Les objectifs de ce projet de recherche se divisent en trois points principaux : (1) La détermination des partages métal-silicate du S, Se, et Te aux conditions directes de la formation du noyau dans un océan magmatique profond. Les résultats permettront de comprendre si les abondances de ces éléments volatils dans le manteau peuvent être expliquées par des modèles de différenciation de la Terre impliquant des équilibres métal-silicate. On pourra donc évaluer à partir de ces résultats si l’apport tardif de météorites après la formation du noyau est nécessaire pour expliquer les concentrations de ces éléments dans le manteau. (2) La détermination du fractionnement isotopique du soufre entre métal et silicate à haute pression et haute température. Les résultats peuvent prouver que la différenciation noyau-manteau peut générer le rapport non chondritique de 34S/32S du manteau observé récemment. Ces données doivent apporter des contraintes nouvelles et indépendantes sur la composition en soufre du noyau et l’histoire de l’accrétion des volatils sur Terre. (3) La détermination de la spéciation du soufre dans des alliages (Fe, S) à haute pression et haute température. Les résultats doivent mettre en évidence un mécanisme qui explique comment obtenir un rapport de 34S/32S pour le noyau supérieur à celui des chondrites. Les méthodes expérimentales développées placent ce projet à l’interface entre la pétrologie expérimentale, la géochimie des isotopes stables et la minéralogie, un espace scientifique qui se situe parmi les nouveaux grands objectifs de recherche de l’Institut de Physique du Globe de Paris.

Coordinateur du projet

Monsieur Julien Siebert (Institut de Physique du Globe de Paris)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IPGP Institut de Physique du Globe de Paris

Aide de l'ANR 289 952 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 48 Mois

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