Le fractionnement isotopique du Ca et du Sr à haute température : apport sur la formation et l’évolution de la Terre

Ca and Sr isotopic fractionation at high temperature : constraints on the formation and the evolution of Earth

• Auteur / Autrice : Elsa Amsellem
• Direction : Frédéric Moynier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 20/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Chauvel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Moynier, Catherine Chauvel, Justin Simon, Helen M. Williams, Martin Bizzarro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Justin Simon, Helen M. Williams

Mots clés

Mots clés contrôlés

Komatiite

Géochimie

Carbonatites

Terre -- Manteau

Météorites

Rubidium

Strontium

Analyse par dilution isotopique

Calcium

Mots clés libres

Fractionnement isotopique

Isotopic fractionation

Résumé

La formation du Système Solaire et son évolution restent peu connues aujourd’hui malgré le grand nombre de missions d’exploration spatiale mises en place depuis la deuxième moitié du 20ème siècle. Pour obtenir des informations sur les premières phases de la formation de la Terre et l’évolution du manteau terrestre, les météorites et les roches ignées sont de bons objets d’étude: les premières sont des témoins des conditions de la formation du Système Solaire et sont formées avant les planètes, les secondes nous renseignent sur la composition du manteau terrestre. Ces travaux de thèse se consacrent à l’analyse isotopique du calcium (Ca), du strontium (Sr) et du rubidium (Rb) d’une grande variété de roches terrestres et extra-terrestres en utilisant le MC-ICP- MS. Les isotopes stables du Ca et Sr permettent de tracer des processus physico-chimiques liés à la formation des roches. Le système Rb-Sr permet quant à lui de dater des évènements liés à l’histoire de ces roches. Les chondres, composants majoritaires des chondrites, ont été étudiés par analyse isotopique du Ca pour tes- ter et confirmer un modèle récent d’accrétion planétaire, le pebble accretion model. D’autres phénomènes peuvent affecter les corps qui peuplent notre système solaire. Notamment les chondrites peuvent subir des épisodes de chauffage et donc subir un métamorphisme thermique. La chronologie Rb-Sr permet de dater ces évènements de chauffage et d’en révéler l’origine qu’on estime alors liée à des impacts dans la ceinture d’astéroïdes. Les échantillons terrestres, des komatiites, MORBs et OIBs sont analysés pour estimer la composition isotopique du manteau en Ca et Sr ainsi que son évolution. La composition des isotopes stables du Sr dans le manteau semble homogène dans le temps alors que les isotopes du Ca révèlent la préservation d’hétérogénéités datant du début de l’histoire de la Terre. Les carbonatites, roches magmatiques contenant au moins 50% de minéraux carbonatés, sont étudiées en isotopie du Ca dans l’optique de révéler leur origine. L’enrichissement en isotopes légers du Ca des carbonatites comparé à la valeur moyenne du manteau reflète une contribution de matériel recyclé dans leur source mantellique. Ces travaux de recherche visent à explorer les grandes applications du fractionnement isotopique du Ca et du Sr à haute température.

The formation of the Solar System and its evolution remain poorly known despite the explosion of space exploration in the mid 20th century. Meteorites and terrestrial igneous rocks are particularly useful objects of study for gaining insights into the formation and evolution of the Earth: the former existed before the planets and the latter reflect the composition of the terrestrial mantle. For this thesis, we performed Ca, Sr and Rb isotopic analyses using MC-ICP-MS technique on a variety of terrestrial and extra-terrestrial rocks. The fractionation of Ca and Sr stable isotopes allows for tracing processes and source effects and Rb-Sr system enables us to date primordial events. Chondrules, a major component of chondrites, are analysed for Ca isotopic composition to test and confirm the pebble accretion model for the formation of the Earth. The timing of the heating event of thermally metamorphosed carbonaceous chondrites is estimated using Rb-Sr chronology and reveals the process of the event as impacts in the asteroid belt. From Earth, komatiites, OIBs and MORBs samples are analysed to estimate the Ca and Sr isotopic composition and evolution of the mantle. The stable isotopic composition of Sr in the mantle is homogenous through the evolution of the mantle while Ca isotopes reveal preservation of early heterogeneities. Carbonatites, rare igneous rocks containing 50 % of carbonate minerals, are studied for Ca isotopic composition in order to indicate their origin. We suggest that the enrichment in lighter Ca isotopes of the carbonatites compared to the bulk silicate Earth’s value derives from a contribution of recycled components through subduction in their mantle source. This thesis explores the wide applications of Ca and Sr isotopic fractionation in high temperature geochemistry.