« Approche expérimentale de la diffusion et du fractionnement isotopique du Germanium entre métal et silicate dans les conditions de formation des noyaux et d’accrétion des planétésimaux »
Abstract:
The formation and evolution of the Solar System planets resulted from complex processes that occurred in a chaotic primordial environment, characterized by successive phases of accretion and collisions between planetesimals. These events led to the formation of magma oceans, promoting planetary differentiation through metal–silicate segregation and, consequently, the formation of a metallic core and a silicate mantle. Understanding the physical and geochemical mechanisms driving this differentiation is essential for reconstructing the early history of planetary formation. A key challenge today lies in constraining both the thermodynamic conditions (pressure, temperature, redox state) and the processes associated with metal–silicate segregation and volatile loss during the formation of planetary reservoirs. To address this, we investigated the behavior of germanium (Ge), a moderately siderophile and volatile element, in order to better constrain planetary differentiation and metal–silicate segregation processes. The project was structured around three main objectives: (1) the development of innovative experimental protocols and analytical techniques to characterize Ge diffusion across the metal–silicate interface, notably through the use of Laser Induced Breakdown Spectroscopy (μLIBS) and the establishment of a concentration model allowing the extraction of high-resolution semi-quantitative images of Ge distributions; (2) the quantification of Ge diffusion coefficients in various phases (solid metal, liquid metal, molten silicate) under pressure-temperature conditions analogous to those of core formation in planetary bodies; (3) the experimental investigation of Ge isotopic fractionation at equilibrium between metal and silicate. This work led to several major advances. A new Fe–Ni metallic capsule assembly was developed to conduct closed-system experiments, avoiding external contamination and eliminating the effects related to carbon presence. In parallel, a μLIBS-based semi-quantitative imaging method was established, enabling rapid and high-resolution acquisition of diffusion profiles. Combined with electron microprobe measurements, these tools allowed the determination of previously unreported Ge diffusion coefficients between metal and silicate at high pressure and temperature. They also revealed a strong influence of oxygen fugacity and phase composition—particularly in Si-rich metal—on Ge diffusion behavior. Finally, isotopic fractionation experiments revealed a decoupling between chemical and isotopic equilibrium, with Ge reaching isotopic equilibrium faster than chemical equilibrium. The observed isotopic fractionation at equilibrium, where metallic phases are systematically enriched in light isotopes, is opposite in direction to that observed in natural samples. This suggests that additional processes – such as evaporation and/or changes in coordination related to redox speciation – must be considered to explain the isotopic signatures of planetary cores. The range of isotopic fractionation observed in experimental samples also points to possible kinetic effects.
La formation et l’évolution des planètes du Système Solaire résultent de processus complexes survenus dans un environnement primordial chaotique, marqué par des phases successives d’accrétion et de collisions entre corps planétésimaux. Ces événements ont conduit à la formation d’océans magmatiques favorisant la différenciation planétaire, notamment par la ségrégation métal-silicate et par extension, à la formation d’un noyau métallique et d’un manteau silicaté. Comprendre les mécanismes physiques et géochimiques à l’origine de cette différenciation est essentiel pour reconstituer l’histoire de la formation des planètes. L’un des enjeux actuels consiste à contraindre les conditions thermodynamiques (pression, température, état redox) et les processus associés à la ségrégation métal–silicate ou à la perte de volatils au cours de formation de ces différents réservoirs. Pour répondre à ce besoin, nous nous sommes intéressés au comportement du germanium (Ge), un élément modérément sidérophile et volatil, afin de mieux contraindre les processus de différenciation planétaire et ségrégation métal-silicate. Le projet s’est articulé autour de trois axes principaux : (1) le développement de protocoles expérimentaux et analytiques innovants pour caractériser la diffusion du Ge à travers l’interface métal–silicate, avec notamment le développement des mesures du Ge par μLIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) et la détermination d’un modèle de concentration à partir duquel nous avons pu extraire des images semi-quantitatives du Ge à hautes résolutions ; (2) la quantification des coefficients de diffusion du Ge dans les différentes phases (métal solide, métal liquide, silicate fondu) en conditions analogues à la formation des noyaux des corps planétaires; (3) l’étude expérimentale du fractionnement isotopique du Ge à l’équilibre entre métal et silicate. Les travaux ont conduit à plusieurs avancées majeures. Un nouvel assemblage expérimental en capsule métallique Fe–Ni a été mis au point pour réaliser des expériences en système fermé, évitant les contaminations externes et les effets liés au carbone. Parallèlement, une méthode d’imagerie par spectroscopie μLIBS semi-quantitative a été développée, offrant une acquisition rapide et à haute résolution des profils de diffusion. Ces outils couplés à des mesures de concentrations par microsonde électronique ont permis de déterminer, les coefficients de diffusion du Ge entre métal et silicate à haute pression et température inédits, et de mettre en évidence l’influence majeure de la fugacité d’oxygène et de la composition des phases (notamment dans le métal riche en Si) sur ces processus. Enfin, les expériences de fractionnement isotopique ont révélé un découplage entre équilibre chimique et isotopique, i.e. le Ge atteint plus rapidement l’équilibre isotopique que l’équilibre chimique. Ce fractionnement à l’équilibre, avec des phases métalliques systématiquement enrichies en isotopes légers, opposé à celui observé dans les échantillons naturels, suggère que d’autres processus – tels que l’évaporation et/ou les variations de coordination en lien avec la spéciation redox – doivent être envisagés pour expliquer les signatures isotopiques des noyaux planétaires. Les gammes de fractionnement des échantillons expérimentaux montre également des possibles effets de fractionnement cinétiques.
Membres du Jury:
Rapporteur·euses
Pr. Pieter Z. Vroon, Vrije University Amsterdam (Pays-Bas)
Pr. Valérie Malavergne, Université Paris Est-Marne La Vallée (France)
Examinateur·rices
Dr. Camille Cartier, Université de Lorraine, CNRS-CRPG (France)
Pr. Michael Toplis, Université de Toulouse (France)
Invité·es
Dr. Vincent Motto-Ros, Université Lyon 1, CNRS, Institut Lumière Matière (France)
Dr. Adrien Néri, Université de Lille (France)
Directrices de thèse
Dr. Béatrice Luais, Université de Lorraine, CNRS-CRPG (France)
Dr. Célia Dalou, Université de Lorraine, CNRS-CRPG (France