Experimental and Theoretical Investigation of Core-Mantle Interations.
Etude expérimentale et théorique des Interactions à la limite Noyau-Manteau
par Dongyang HUANG sous la direction de James BADRO
Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'environnement
ED 560 Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers, Paris

Soutenue le vendredi 08 novembre 2019 à Université Paris Cité

Sujets
  • Alliages fer-nickel
  • Columbo-tantalite
  • Hautes pressions
  • Méthodes ab initio (chimie quantique)
  • Terre -- Noyau
  • Terre -- Origines

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Mots clés
Formation du noyau, Composition du noyau, Fe-Ni idéalité, Rapport Nb/Ta, Partage métal silicate, Alliage Fe-Si-O, SiO2 exsolution, Ab initio, Haute pression
Resumé
La formation du noyau sur Terre se produit par différenciation métal-silicate dans un océan magmatique. Ce processus d'équilibrage permet d'éliminer les éléments sidérophiles du manteau jusqu'au noyau, en fixant la composition en éléments traces des deux réservoirs. Des expériences de cloisonnement métal-silicate à haute pression et à haute température peuvent être utilisées pour faire correspondre les abondances observées et, comme le cloisonnement des éléments est fonction de P, T, fO2 et de la composition, elles limitent davantage les conditions thermochimiques de la formation du noyau. Dans cette thèse, des expériences de partitionnement métal-silicate superliquide des éléments sidérophiles et lithophiles (Ni, Cr, V, Nb, Ta et W) ont été réalisées dans des cellules d'enclumes de diamant chauffées au laser dans des conditions P-T jusqu'à 94 GPa et 4500K. Dans ces conditions P-T extrêmes, on constate que (1) aucun effet mesurable de la concentration de nickel sur le partage du Ni, du Cr et du V, l'alliage Fe-Ni est chimiquement idéal sur une large gamme de concentrations de Ni (3.5 à 48.7 % en poids) ; (2) Nb, Ta et W deviennent plus siderophile avec la température et en interaction avec l'oxygène du métal alors que Nb et W deviennent moins siderophile sous pression. En nous basant sur le paramétrage de nos résultats à haute teneur en P en fonction de P, T, fO2 et de la composition, nous avons modélisé une formation de noyaux à plusieurs stades et montré que le rapport Nb/Ta sous-chondritique dans le manteau peuvent s'expliquer soit en oxydant soit en réduisant les conditions de formation du noyau.Après le dernier événement de différenciation noyau-manteau, le noyau de la Terre est considéré comme fixé. On a récemment proposé que le SiO2 puisse se cristalliser à partir d'un alliage liquide de Fe-Si-O au sommet du noyau pendant le refroidissement séculaire, et flotter en raison de sa flottabilité négative, modifiant ainsi sa composition avec le temps. Nous avons étudié ici le champ liquidus des binaires Fe-Si, Fe-O et ternaires Fe-Si-O à la pression d'enveloppe du manteau du noyau et une gamme de températures en utilisant la dynamique moléculaire ab initio, englobant toutes les valeurs plausibles pour le noyau à travers le temps géologique. Nous constatons que les liquides restent bien mélangés avec des propriétés ternaires identiques au mélange de propriétés binaires. Des simulations en deux phases du SiO2 solide et du Fe liquide montrent une dissolution à des températures égales ou supérieures à 4100 K, ce qui suggère que la cristallisation du SiO2 ainsi que l'immiscibilité du liquide dans le Fe-Si-O sont peu probables dans le noyau terrestre.