Érosion collisionnelle au cours de l’accrétion et origine des compositions non chondritiques de la Terre

Collisional erosion during accretion and origin of the Earth non-chondritic compositions

• Auteur / Autrice : Laëtitia Allibert
• Direction : Sébastien Charnoz, Julien Philippe Siebert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 17/09/2020
• 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 : Alexandre Fournier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Charnoz, Julien Philippe Siebert, Alexandre Fournier, Zoe Leinhardt, Maud Boyet, Manuel Moreira, Pierre Vernazza
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zoe Leinhardt, Maud Boyet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation numérique

Fractionnement chimique

Géochimie

Planètes -- Origines

Accrétion (astrophysique)

Mots clés libres

Accrétion

Formation planétaire

Fractionnement chimique

Impacts

Érosion collisionnelle

Composition non chondritique

Simulations numériques SPH

Accretion

Planetary formation

Chemical fractionation

Impacts

Collisional erosion

Non-chondritic composition

SPH numerical simulations

Résumé

Ce travail de thèse a pour but d’étudier la dernière phase de formation planétaire (entre 1-3 Myr et 200 Myr après la condensation des premiers solides dans le disque proto-planétaire). Cette thèse se veut pluridisciplinaire, à l’interface entre les géosciences et les sciences planétaires. Elle doit notamment apporter des contraintes sur les processus dynamiques de formation des planètes en étudiant leurs effets sur la composition chimique finale des corps telluriques. Il existe différents processus de fractionnement chimique (donc de processus capables de changer la composition chimique) pouvant se produire au cours de l’histoire des planètes. Notamment, la différenciation et la dévolatilisation sont deux processus fréquemment invoqués et étudiés. Toutefois, les impacts successifs subis par les embryons pendant leur croissance pourraient également affecter de façon non négligeable leur chimie globale. Ce fractionnement chimique est la réponse directe des différentes propriétés et affinités des éléments chimiques. Cette thèse présente deux axes différents. En effet, la Terre est composée de trois couches, de chimie distincte, du centre à la surface : le noyau, le manteau et la croûte. L’érosion préférentielle de l’une de ces couches par rapport à une autre peut provoquer, comme expliqué ci-dessus, un éventuel changement de composition globale. Cependant, une érosion préférentielle de croûte ou une érosion préférentielle de manteau ne pourront pas être tracées de la même façon. Au cours de travail de thèse, nous avons dans un premier temps développé un modèle d’érosion, EROD, qui, par un couplage entre des lois analytiques des processus de cratérisation, de calculs de bilans de masse géochimiques et d’un traitement de simulations d’accrétion à N-corps, permet d’étudier l’évolution au cours du temps de la composition chimique de la Terre silicatée pendant l’assemblage de la Terre. L’évolution des compositions est testée pour une large gamme d’éléments chimiques. Dans un second temps, des simulations hydrodynamiques de type SPH d’impacts géants sont réalisées afin de quantifier les transferts de masse au cours de ces événements. Un couplage avec des simulations N-body d’accrétion est également effectué. Nous montrons que l’érosion collisionnelle peut être responsable d’une composition non-chondritique de la Terre silicatée, notamment en éléments lithophiles et réfractaires. Les éléments les plus incompatibles (affinité pour les phases liquides lors de processus de fusion) sont les plus appauvris dans la Terre silicatée en réponse à l’érosion avec une perte pouvant atteindre 40% pour les éléments producteurs de chaleur terrestre. Dans ce cas, les modèles de composition de la Terre silicatée doivent être revus. Enfin, nous montrons également que le rapport Fe/Mg super-chondritique de la Terre peut être expliqué par érosion préférentielle de manteau par rapport au noyau lors des impacts géants successifs subits par la proto-Terre en croissance.

The thesis aim is the study of the last stage of planetary formation (between 1-3 Myr and 200 Myr after the condensation of the first solids in the proto-planetary disk). This thesis is multi-disciplinary, at the interface between geosciences and planetary sciences. It must bring constrains on the dynamical processes involved in the planets formation by studying their effects on the final chemical composition of the terrestrial bodies. There are several processes that may induce chemical fractionation (i.e. processes able to change the chemical composition) during the planets growth history. Notably, the differentiation and the devolatilization are two processes that are often invoked and studied. However, successive impacts suffered by the growing embryos may also affect the global chemical composition of terrestrial planets. This chemical fractionation is the direct result of the different properties and affinities of the different chemical elements. This thesis is built on two distinct axes. Indeed, the Earth is made of three main layers of distinct chemical compositions; from the center to the surface they are: the metallic core, the mantle and the crust. The preferential erosion of one of these layers relatively to an other might thus induce a change in the global composition of Earth. A preferential erosion of crust or a preferential erosion of mantle cannot be tracked with the same tools and clues. During this thesis, we developed an erosion model named EROD that allows to track the evolution of the Bulk Silicate Earth (BSE) chemical composition during Earth assembling. It involves (1) semi-analytical laws of craterization, (2) chemical mass balance calculations and (3) a post-treatment of N-body numerical simulations of accretion. The evolution of the chemical compositions is tested for a large set a chemical elements. The second aspect of the thesis include SPH hydrodynamical numerical simulations of impacts that are run to provide a quantification of the mass transfer during a given impact. A coupling with N-body numerical simulations is also made. We show that collisional erosion may be responsible for a non chondritic Earth final composition, notably in refractory and lithophile elements. The most incompatible elements (i.e. these that have affinities with liquid phases) are the most depleted in the BSE compared to the chondrites. This highest amount of depletion reaches 40% for the heat producing elements such as U and Th. In that case, the models for the BSE composition may need to be revised. Finaly, we show that the superchondritic Fe/Mg ratio of the bulk Earth may be explained by a preferential collisional erosion of the Earth mantle relatively to its core during successive giant impacts occuring while Earth is growing.