Partage métal-silicate, Fractionnement isotopique, Éléments volatils, Accrétion terrestre, Différenciation terrestre

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 (¿¹²²/¹¹¿Snmetal¿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...