Fractionnement élémentaire et isotopique des éléments sidérophiles : implications pour l’accrétion des éléments volatils sur Terre - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Elemental and stable isotopic fractionations of siderophile elements : Implications for the delivery of Earth's volatile elements

Fractionnement élémentaire et isotopique des éléments sidérophiles : implications pour l’accrétion des éléments volatils sur Terre

Edith Kubik
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Résumé

The accretion of volatile elements on Earth continues to be debated despite intense research focusing on the topic. Geochemical and cosmochemical observables have been explained by a variety of scenarios ranging from (1) an accretion of the volatile elements during the main phases of Earth’s formation to (2) an accretion of volatile-poor material followed by a late accretion of volatile-rich material after core formation ceased, called the late veneer. The mantle signature of elements that are both volatile and siderophile record volatile-related processes as well as differentiation-related processes. Studying the behaviour of such elements at metal–silicate equilibrium at high pressure and high temperature allows to separate the effect of differentiation from volatile-related processes on their abundances, and hence to discriminate scenarios capable of explaining the observed abundances.In this thesis work, the aim is to determine one or a variety of accretion scenarios of the Earth explaining the abundances of moderately volatile and siderophile elements in the mantle. Experiments were performed in piston cylinder and multianvil presses from 2 to 20 GPa and 1700 to 2600 K in order to measure the elemental and isotopic behaviour of a selection of moderately siderophile and volatile elements. Studying the partitioning of Sn, Cd, Bi, Sb and Tl allowed to determine the effect of temperature, pressure, fO2, and S content of the metal on the affinity of these elements for metal relative to silicate. The partitioning of these elements is reconstructed across Earth’s accretion, at appropriate pressure and temperature conditions. The studied elements present enhanced siderophility, preventing reconciliation of the experimental data with observed mantle abundances. A scenario involving partial equilibration of the mantle with the core, as well as a late delivery of volatile elements in the last 10 to 20 % of Earth’s accretion, as a large impactor, is able to explain the abundances of the studied elements, in agreement with other studies based on distinct observables. Around 3 wt.% of S in the core is needed to explain the Sn abundance. A late veneer consisting of 0.5 % of Earth’s mass is also required to explain the Bi abundance in the mantle. The study of Sn isotopic fractionation between metal and silicate yields a significant factor of ~0.3 ‰ at 2 GPa and 2000 K (∆122/118Snmetal−silicate), suggesting that Sn isotopes could be fractionated at core formation conditions, enriching the mantle in light isotopes. Carbonaceous chondrites present an identical Sn isotopic composition to the silicate Earth, making them the most likely contributors to the source of volatile elements on Earth, according to this study. These results are consistent with the favoured accretion scenario suggested by the elemental fractionation part of this study. As elemental and isotopic fractionations of siderophile elements between metal and silicate are strongly dependent on the metal composition, the effect of the Ni content of the metal on Fe isotopic fractionation was tested. The experiments performed in this study (22 experiments, from 0 to 70 % Ni in the metal) do not allow to detect any effect of Ni on the Fe fractionation factor. Therefore, this study brings new insight regarding the timing, process and origin of the volatile delivery on Earth, as well as information on the effect of core composition on the behaviour of siderophile elements during Earth’s differentiation.
L’accrétion des éléments volatils sur Terre continue d’être débattue malgré de nombreux travaux de recherche sur le sujet. Les observables géochimiques et cosmochimiques ont été expliquées par une large gamme de scénarios allant de (1) l’accrétion des éléments volatils durant les phases principales de l’accrétion ter- restre, jusqu’à (2) l’accrétion de matériaux pauvres en volatils, avec une addition tardive de matériel riche en éléments volatils après la fin de la différenciation, aussi appelée vernis tardif. Les signatures mantelliques des éléments volatils et sidérophiles sont des enregistrements des processus liés à la volatilité et des processus de différenciation. L’étude du comportement de ces éléments dans un équilibre métal-silicate à haute pression et haute température permet de séparer l’effet de la différenciation de l’effet des processus volatils sur les abondances de ces éléments, et donc de discriminer les scénarios capables d’expliquer les abondances observées. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à déterminer le ou les scénarios d’accrétion de la Terre permettant d’expliquer les abondances en éléments volatils et sidérophiles observées dans le manteau. Des expériences menées dans des presses piston-cylindre et multi-enclume de 2 à 20 GPa et de 1700 à 2600 K ont permis d’observer les comportements élémentaires et isotopiques d’une sélection d’éléments volatils et sidérophiles. L’étude du coefficient de partage de Sn, Cd, Bi, Sb et Tl a permis de déterminer l’effet de la température, la pression, la fO2, et la concentration en S dans le métal sur l’affinité de ces éléments pour le métal relativement au silicate. Le coefficient de partage de ces éléments est reconstruit au cours de l’accrétion terrestre, aux conditions de pression et température appropriées. Différents scénarios d’accrétion sont testés dans le but de reproduire les mêmes abondances finales que celles observées dans le manteau. Les éléments étudiés présentent une sidérophilité élevée, qui ne permet pas d’expliquer les abondances élevées observées dans le manteau. Un scénario impliquant un équilibre partiel entre noyau et manteau ainsi qu’une arrivée des éléments volatils dans les 10-20 derniers pourcents des phases principales d’accrétion de la Terre, sous la forme d’un impacteur de grande taille, permettent d’expliquer les abondances de ces éléments, en accord avec d’autres études basées sur d’autres observables. Environ 3 wt.% de S dans le noyau sont également nécessaires afin d’expliquer l’abondance en Sn. Un vernis tardif représentant 0,5 % de la masse terrestre est également requis afin d’expliquer l’abondance en Bi dans le manteau. L’étude du fractionnement isotopique de l’Sn entre métal et silicate a permis de mesurer un facteur significatif de ~0.3 ‰ à 2 GPa et 2000 K (∆¹²²/¹¹⁸Snmetal−silicate), impliquant qu’un fractionnement isotopique de l’Sn pourrait avoir lieu aux conditions de la différenciation terrestre, ayant pour effet d’enrichir le manteau en isotopes légers. Les chondrites carbonées présentent une composition similaire à la Terre silicatée ce qui en fait les meilleures candidates comme source des volatils sur Terre, d’après les résultats de cette étude. Ces résultats sont compatibles avec le scénario d’accrétion favorisé au vu des données élémentaires. Les fractionnements élémentaires et isotopiques des éléments entre métal et silicate étant fortement dépendant de la composition du métal, l’effet de la teneur en Ni dans le métal sur le fractionnement isotopique du Fe est testé. Les expériences réalisées (22 expériences, de 0 à 70 % Ni) ne permettent pas de détecter un effet du Ni sur le fractionnement du Fe. Cette étude apporte donc de nouveaux éléments de réponse concernant le timing et le mécanisme d’accrétion, et l’origine des éléments volatils sur Terre...
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Dates et versions

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  • HAL Id : tel-03249578 , version 1

Citer

Edith Kubik. Fractionnement élémentaire et isotopique des éléments sidérophiles : implications pour l’accrétion des éléments volatils sur Terre. Sciences de la Terre. Université Paris Cité, 2020. Français. ⟨NNT : 2020UNIP7097⟩. ⟨tel-03249578⟩

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