The origin of terrestrial neon : an experimental study of isotopic fractionation of Neon during basalt degassing
L'origine du néon terrestre : une étude expérimentale du fractionnement isotopique du Néon lors du dégazage des basaltes
Résumé
The origin of Earth's volatile elements, crucial for understanding the evolution of the early Solar System, Earth's formation, and life, remains debated. Noble gases, due to their inertness and high volatility, serve as key tracers for major volatiles like CO2 and H2O in the mantle.The noble gas signatures in mantle plumes, particularly from Galapagos, Hawaii, and Iceland, suggest a solar-type neon acquired during Earth's formation. Two main models explain neon's origin in the mantle : (i) The neon was incorporated into a magma ocean through gravitational capture of a dense primary atmosphere, (ii) The neon was acquired from planetesimals irradiated by the early Sun during Earth's accretion. The residual concentration of mantle volatiles in volcanic rocks and minerals is often influenced by secondary processes and does not reflect primary mantle concentrations. In most oceanic basalts, the volatile phase is dominated by CO2. It's generally assumed that noble gas concentrations in this phase are similar between vesicles and depend on the extent and mechanism of gas loss from the magma. This thesis presents pioneering research on synthetic samples whose only volatiles are carbon dioxide (CO₂) and neon by exploring simple models of degassing in a closed system such as : (i) A depleted melt affected by a CO2-rich inputs and (ii) a system where the decompression is initiated. The observed isotopic similarity in natural samples, with values midway between the solar isotopic values and those of solar wind implantation, supports the hypothesis that the Earth's mantle may have captured a primordial nebula during the early stages of the planet's formation. Nevertheless, this experimental study presents compelling evidence that isotopic fractionation can occur during various stages of vesicle evolution in magma, suggesting that high isotopic ratios values in natural samples should be interpreted with caution. We conclude that none of the two scenarios of light-volatile acquisition can be for now rejected.
L'origine des éléments volatils de la Terre, cruciale pour comprendre l'évolution du Système Solaire primitif, la formation de la Terre et la vie, reste débattue. Les gaz nobles, en raison de leur inertie et de leur grande volatilité, servent de traceurs clés pour les principaux volatils tels que le CO2 et le H2O dans le manteau.Les signatures des gaz nobles dans les panaches mantelliques, en particulier ceux des Galapagos, d'Hawaï et d'Islande, suggèrent un néon de type solaire acquis lors de la formation de la Terre. Deux modèles principaux expliquent l'origine du néon dans le manteau : (i) Le néon a été incorporé dans un océan de magma à partir d'une atmosphère primaire riche en H et He, capturée par gravité. (ii) Le néon a été acquis sur des poussières irradiées par le vent solaire Soleil et incorporées dans des planétésimaux avant l'accrétion de la Terre.La concentration résiduelle des éléments volatils du manteau dans les roches et les minéraux volcaniques est souvent influencée par des processus secondaires plutôt que par les concentrations primaires du manteau. Dans la plupart des basaltes océaniques, la phase volatile est dominée par le CO2. Il est généralement supposé que les concentrations et les rapports isotopiques des gaz nobles dans cette phase sont homogènes à travers les vésicules et dépendent de l'ampleur et du mécanisme de la perte de gaz du magma.Cette thèse présente une recherche pionnière sur des échantillons synthétiques dont les principaux éléments volatils sont le dioxyde de carbone (CO₂) et le néon, en explorant deux conditions de dégazage : (i) Un magma affecté par un apport de gas riche en CO2 et néon.(ii) Un magma où le dégazage est induit par la décompression.La similitude des rapports isotopiques du néon observée dans les échantillons naturel, avec des valeurs intermédiaires entre les valeurs isotopiques solaires et celles de l'implantation du vent solaire, est en accord avec l'hypothèse que le manteau terrestre aurait pu incorporer du gaz issu d'une nébuleuse primordiale lors des premières étapes de la formation de la planète. Néanmoins, cette étude expérimentale présente des preuves convaincantes que le fractionnement isotopique peut se produire à différents stades de l'évolution des vésicules dans le magma, suggérant que les valeurs élevées des rapports isotopiques du néon dans les échantillons naturels doivent être interprétées avec prudence. Nous ne concluons qu'aucun des deux scénarios d'acquisition des volatils légers ne peut être pour l'instant rejeté.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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