Laboratoire CRPG – Thème Cosmo et Planéto
Encadrement – Directrice : Laurie Reisberg (DR CNRS -HDR) laurie.reisberg@univ-lorraine.fr
Co-directrice : Celia Dalou (CR CNRS) celia.dalou@univ-lorraine.fr
Pour postuler : contacter par mail Celia Dalou
Titre : Fractionnements isotopiques du carbone et du soufre lors du dégazage des océans magmatiques : comparaison des atmosphères primitives de la Terre et de Mars
Profil et compétences recherchées : Nous recherchons des candidats ayant une formation en pétrologie et géochimie au niveau Master, intéressés par la planétologie et la cosmochimie. Un intérêt pour l’apprentissage de diverses techniques expérimentales et analytiques est requis.
Niveau d’anglais requis : Intermédiaire supérieur
Description du projet :
Cette thèse fait partie de l’ANR JCJC CSI Planète, dirigée par Célia Dalou. Le poste débute en septembre – octobre 2023.
Les processus conduisant à la composition unique de l’atmosphère moderne de la Terre par rapport à celle de Mars ne sont pas simples à reconstituer. Il est communément admis que le budget global en éléments volatils des planètes rocheuses a été forgé par diverses contributions des corps chondritiques et différenciés, des comètes et des gaz nébulaires, et via des processus de formation planétaire (accrétion, différenciation, c’est-à-dire différenciation noyau-manteau, cristallisation des océans magmatiques, et dégazage précoce —, pertes atmosphériques et interactions complexes entre intérieurs et surfaces planétaires ; Marty 2012) qui ont modifié leurs concentrations initiales en éléments volatils et leurs compositions isotopiques (Wood et al. 2013 ; Mikhail et Füri 2019 ; Dalou et al. 2019a, 2022). Par conséquent, les compositions élémentaires et isotopiques actuelles des éléments volatils dans les intérieurs de la Terre et de Mars ne représentent pas directement celles de leurs précurseurs.
Les principaux processus planétaires se sont produits lorsque les planètes étaient partiellement à complètement fondues, c’est-à-dire pendant leurs phases d’océan magmatique. Cette étape primordiale a permis la formation d’une atmosphère précoce par la solidification et le dégazage de l’océan magmatique. Ainsi, l’évolution de l’océan magmatique d’une planète fixe la répartition initiale des éléments volatils entre son intérieur et sa surface (Elkins-Tanton 2008) et est donc déterminante pour comprendre les différences entre les conditions d’habitabilité de la Terre et de Mars.
Par une approche expérimentale, le doctorant vise à déterminer les effets du dégazage précoce (évaporation et dégazage) sur les signatures isotopiques C et S de l’intérieur de la Terre et de Mars pour aider à reconstruire les signatures isotopiques des réservoirs proto-planétaires (manteau, atmosphère pré-biotique).
Stratégie et méthodes :
1. Des expériences d’évaporation cinétique et d’équilibre seront réalisées dans des conditions variables de fO2 à basse pression dans ampoules scellées (Mathieu et al. 2008; Chevreux 2016). Des expériences en « time series » seront réalisées pour déterminer la durée minimale nécessaire pour atteindre l’équilibre gaz-fusion.
2. Des expériences de dégazage seront menées sur le piston-cylindre du CRPG dans des conditions variables de fO2, haute pression (1 GPa) et diverses températures. Des expériences en séries temporelles seront réalisées pour établir la durée expérimentale nécessaire pour atteindre l’équilibre isotopique. Les expériences seront saturées en gaz pour produire des bulles (Dalou et al. 2022).
3. La composition des phases gazeuses et la spéciation du C et du S dans les verres silicatés (CO, CH4, CO2 ; S2, H2S, SO2) seront déterminées par spectroscopie Raman. Les teneurs en C et S et les compositions isotopiques des verres silicatés seront quantifiées par SIMS.
4. La fO2 des expériences sera estimée à moins d’une unité logarithmique de la valence de V, Eu et S (Sutton et al. 2020) par des analyses de structure fine d’absorption des rayons X (XAFS) à l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, France).
Le.a doctorant.e mesurera également les concentrations en C et S et les compositions isotopiques par sonde ionique, assisté de l’ingénieur CNRS Johan Villeneuve.
L’objectif principal est de fournir de nouvelles données sur les effets du dégazage des océans magmatiques sur les fractionnements isotopiques C et S, qui seront intégrées dans un calcul du bilan de masse suivant Dalou et al. (2017). Ce calcul utilisera des données à fO2 = IW –2 à IW +2 (Sossi et al. 2020) pour simuler diverses réactions d’évaporation et de dégazage.
Ainsi, il sera possible de comparer l’efficacité des processus de dégazage et leurs effets sur les fractionnements isotopiques C et S au cours des histoires précoces de la Terre et de Mars. Les résultats permettront également de proposer à terme des valeurs de δ13C et δ34S pour la proto-Terre et la proto-Mars, à comparer avec diverses sources potentielles de C et de S dans le système solaire interne.