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Thèse Année : 2022

Tracking the origin of volatile depletion in the Earth with indium

Etude sur l'origine de l'appauvrissement en éléments volatils de la Terre avec l'indium

Deze Liu
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1374991
  • IdRef : 277015324

Résumé

The accretion history and the nature of the building blocks of the Earth are still highly debated. The elemental and isotopic compositions of moderately volatile elements (MVEs) of the Earth and meteorites can give important insights in these issues. In general, the abundance of lithophile MVEs in the bulk silicate Earth (BSE) exhibit a log-linear depletion pattern (compared to solar composition) along with the 50% condensation temperature (TC50), while the siderophile MVEs show an additional depletion due to the metal-silicate partitioning during the Earth’s core-formation processes. However, indium (In) is an exception as its abundance is over-abundant in the BSE compared to elements of similar volatility and siderophility. This overabundance can be explained as the results of: 1) an over-estimated volatility of In under nebular environment; 2) a late delivery of CI-like materials, known as the heterogeneous accretion, which describes that the Earth’s accretion started from volatile-depleted materials and followed by a late accretion of volatile-rich materials. To explain the overabundance of In, the late-accretion model requires either a) In behaved as a lithophile element under the Earth’s core-formation conditions or b) the precursor materials of proto-Earth carried an enrichment in In compare to known meteorites. Therefore, studying the behavior of In during the volatilization process and metal-silicate partitioning processes can give an insight to the over-abundance of In in the BSE, and further provide implications to the origin of the depletion of MVEs and the building blocks of the Earth. In this dissertation, I applied experimental approaches to study the volatility and siderophility of In, developed a method for high precision In isotopic analysis on natural rocks and analyzed the In isotopic composition of the Earth’s rocks and chondrites. The study on the volatility of In focuses on the vaporization process of silicate melt-vapor system. The evaporation experiments of In were performed on a silicate melt of basaltic composition and under a variety of temperatures and oxygen fugacities. Combine with our experimental data and current quantification approach of elemental volatility for vapor-melt system, the volatility of In during evaporation process was quantified in this thesis. The results exhibit a significantly lower volatility of In in vapor-melt evaporation system, in comparison with its volatility in nebular environment, indicating the overabundance of In as the result of non-nebular environment. The partitioning behavior of In between metal and silicate was studied with a variety of metal-silicate segregation experiments which were performed in piston cylinder, multi-anvil and diamond anvil cell, spanning a wide range of pressure-temperature conditions (~ 2 to 50 GPa, ~ 1700 to 4000 K), covering the P-T conditions from the early accretion stage to the final deep magma ocean. According to the experimental results, In does not behave as a lithophile element throughout the Earth’s core-formation conditions, instead a significant fraction partitioned into the core during the Earth’s accretion. I used these results to demonstrate that the In Earth’s budget has two sources: early accreted precursor materials lost less In by evaporation as previously thought due to the lower volatility of In as previously thought and late delivered carbonaceous-like volatile-rich materials. The In isotopic compositions of a series of terrestrial rock samples from basalt to rhyolite were reported here.
L'histoire de l'accrétion et la nature des éléments constitutifs de la Terre font encore l'objet d'un grand débat. Les compositions élémentaires et isotopiques des éléments modérément volatils (MVE) de la Terre et des météorites peuvent fournir des informations importantes sur ces questions. En général, l'abondance des MVE lithophiles dans la partie silicatée de la Terre (BSE) présente un modèle d'appauvrissement log-linéaire (par rapport à la composition solaire) avec la température de 50% condensation (TC50), tandis que les MVE sidérophiles présentent un appauvrissement supplémentaire dû à la partition métal-silicate pendant les processus de formation du noyau terrestre. Cependant, l'indium (In) est une exception car son abondance est surabondante dans l'ESB par rapport aux éléments de volatilité et de sidérophilie similaires. Cette surabondance peut être expliquée comme les résultats de : 1) une volatilité surestimée de l'In dans l'environnement nébulaire ; 2) un apport tardif de matériaux de type CI, connue sous le nom d'accrétion hétérogène, qui décrit que l'accrétion de la Terre a commencé à partir de matériaux appauvris en volatilité et a été suivie par une accrétion tardive de matériaux riches en volatils. Pour expliquer la surabondance de l'In, le modèle d'accrétion tardive exige soit a) que l'In se comporte comme un élément lithophile dans les conditions de formation du noyau terrestre, soit b) que les matériaux précurseurs de la proto-Terre soient enrichis en In par rapport aux météorites connues. Par conséquent, l'étude du comportement de l'In pendant le processus de volatilisation et les processus de partition métal-silicate peut donner un aperçu de la surabondance de l'In dans l'ESB, et fournir des informations sur l'origine de l'appauvrissement des MVE de la Terre.Dans cette thèse, j'ai appliqué des approches expérimentales pour étudier la volatilité et la sidérophilie de l'In, développé une méthode d'analyse isotopique de l'In à haute précision sur des roches naturelles et analysé la composition isotopique de l'In des roches terrestres et des chondrites. L'étude sur la volatilité de l'In se concentre sur le processus de vaporisation du système silicate liquide-vapeur. Les expériences d'évaporation de l'In ont été réalisées sur un silicate fondu de composition basaltique et sous une variété de températures et de fugacités d'oxygène. En combinant nos données expérimentales et l'approche actuelle de quantification de la volatilité élémentaire pour le système vapeur-liquide, la volatilité de l'In pendant le processus d'évaporation a été quantifiée dans cette thèse. Les résultats montrent une volatilité significativement plus faible de l'In dans le système d'évaporation liquide-vapeur, en comparaison avec sa volatilité dans l'environnement nébulaire, indiquant la surabondance de l'In comme résultat de l'environnement non-nébulaire. Le comportement de partage de l'In entre le métal et le silicate a été étudié à l'aide d'une variété d'expériences de ségrégation métal-silicate qui ont été réalisées dans un piston-cylindre, une cellule multi-enclumes et une cellule à enclume de diamant, couvrant une large gamme de conditions de pression-température (~ 2 à 50 GPa, ~ 1700 à 4000 K), recouvrant les conditions P-T du stade précoce d'accrétion à l'océan magmatique profond final. D'après les résultats expérimentaux, l'In ne se comporte pas comme un élément lithophile dans les conditions de formation du noyau de la Terre, mais une fraction significative s'est ségrégé dans le noyau pendant l'accrétion de la Terre.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04546358 , version 1 (15-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04546358 , version 1

Citer

Deze Liu. Tracking the origin of volatile depletion in the Earth with indium. Geochemistry. Université Paris Cité, 2022. English. ⟨NNT : 2022UNIP7331⟩. ⟨tel-04546358⟩
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