Interaction fluide roche sur les satellites de glace

Fluid-rock interactions on icy moons

• Auteur / Autrice : Amber Elizabeth Zandanel
• Direction : Laurent Truche, Roland Hellmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble, Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Daniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vassilissa Vinogradoff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Daval, Thomas Mccollom

Mots clés

Mots clés contrôlés

Encelade (satellite)

Géochimie

Mots clés libres

Géochimie

Géologie

Géochimie expérimentale

Geochemistry

Geology

Experimental geochemistry

Résumé

Les missions Cassini-Huygens et Dawn ont révélé des preuves surprenantes de l'altération active des roches d'eau NH3 sur plusieurs mondes glacés du système solaire externe. En particulier, les observations de la petite lune de Saturne Encelade suggèrent qu'elle pourrait même dissimuler une activité hydrothermale active dans un océan d'eau NH3 enrichie en composés organiques sous sa croûte glacée. Cependant, les processus d'altération minérale et organique à des températures suffisamment basses et dans des solutions riches en NH3 restent sans contrainte. La thèse englobe trois branches principales de ce sujet : Modélisation du transport réactif géochimique 1-D de l'altération de l'olivine ; étude expérimentale des taux d'altération de l'olivine et des produits de réaction dans les fluides NH3-eau ; et altération expérimentale des composés organiques en présence de NH3 et d'olivine. La motivation de ces projets peut être conceptualisée comme caractérisant l'habitabilité possible des environnements hydrothermaux sur Encelade comme suit :1) Si nous considérons qu'un environnement hydrothermal à serpentinisation active est la région potentiellement habitable sur les mondes glacés, combien de temps les processus de serpentinisation peuvent-ils être maintenus dans un petit satellite glacé ?2) Dans les satellites glacés sans océan liquide, quels sont les taux de dissolution de l'olivine au contact de solutions alcalines, partiellement gelées et riches en NH3?3) Peut-on exclure la possibilité que d'autres effets du NH3 puissent avoir un impact sur l'altération hydrothermale des minéraux primaires (à savoir l'olivine) à des températures pertinentes pour Encelade ?4) Dans ces environnements hydrothermaux potentiellement éphémères des noyaux rocheux des mondes glacés, le NH3 ou l'olivine facilitent-ils les interactions prébiotiques en stabilisant ou en catalysant efficacement les molécules organiques complexes ?Pour répondre à la question 1), nous avons adapté un modèle de transport réactif géochimique 1-D pour modéliser l'altération et la production de H2 dans Encelade qui modélise les propriétés connues de la dissolution des minéraux - en particulier, les taux de dissolution de l'olivine - dans les contraintes géophysiques uniques du monde glacé. Ces résultats suggèrent que les propriétés géophysiques actuelles d'Encelade sont compatibles avec l'émergence très récente (il y a moins de 100 ans) d'un océan liquide. Pour répondre au point 2), j'ai mené des expériences de dissolution de l'olivine dans des solutions partiellement gelées (-20 à 25 ⁰C), contenant du NH3. Les résultats montrent que l'altération de l'olivine se poursuit dans les solutions partiellement gelées et donne des taux de dissolution qui peuvent être appliqués à des modèles d'altération à basse température des comètes, des chondrites et des mondes glacés. La question 4) est traitée par des expériences d'altération de l'olivine par lots de 90 à 150 ⁰C, et par des expériences de dissolution de l'olivine en flux continu de 0 à 150 ⁰C. Les résultats de ces expériences montrent que le NH3 n'a pas d'effet significatif sur la dissolution de l'olivine ; cependant, la présence de NH3 est corrélée à une plus grande abondance et cristallinité des phases secondaires, notamment la brucite, la smectite et la lizardite. Enfin, pour répondre à la question 4, nous avons réalisé des expériences visant à identifier une signature chimique pour les composés organiques altérés avec l'olivine dans un océan contenant du NH3. Pour ce faire, nous avons fait réagir un matériau organique chondritique synthétique avec et sans NH3 et olivine à 100 ⁰C, et les composés organiques solubles ayant réagi ont été analysés par analyse de masse à ultra-haute résolution. Les résultats montrent une distribution de signature spécifique des composés organiques qui est indicative d'une interaction organique avec l'olivine.

The Cassini-Huygens and Dawn missions revealed surprising evidence of active NH3-water-rock weathering on several icy worlds in the outer solar system. In particular, observations of Saturn’s small moon Enceladus suggest that it may even conceal active hydrothermal activity in an NH3-water ocean enriched in organic compounds beneath its icy crust. However, mineral and organic alteration processes at relevantly low temperatures and in NH3-rich solutions remain unconstrained. In the interest of expanding our understanding of geochemical processes on icy worlds, the thesis encompasses three main subjects: 1-D geochemical reactive transport modelling of olivine weathering; experimental investigation of olivine alteration rates and reaction products in NH3 -water fluids; and experimental alteration of organic compounds in the presence of NH3 and olivine. The motivation for these projects can be conceptualized as characterizing the possible habitability of hydrothermal environments on Enceladus as follows:1) If we consider an actively serpentinizing hydrothermal environment to be the potentially habitable region on icy worlds, how long can serpentinization processes be sustained in a small icy satellite?2) In icy satellites without a liquid ocean, what are olivine dissolution rates in contact with alkaline, partially frozen NH3-rich solutions?3) Can we exclude the possibility that other effects of NH3 may impact hydrothermal alteration of primary minerals (namely, olivine) at temperatures relevant to Enceladus?4) In these potentially short-lived hydrothermal environments in the rocky cores of icy worlds, does NH3 or olivine facilitate prebiotic interactions by effectively stabilizing or catalyzing complex organic molecules?To address 1) we adapted a 1-D geochemical reactive transport model to model weathering and H2 production in Enceladus that model known properties of mineral dissolution – specifically, olivine dissolution rates – in the unique geophysical constraints of the icy world. These results suggest that the current geophysical properties of Enceladus are consistent with a very recent (< 100 Myr ago) emergence of a liquid ocean. To address 2), I conducted olivine dissolution experiments in partially frozen (-20 to 25 ⁰C), NH3-bearing solutions. The results demonstrate that olivine alteration continues in partially frozen solutions and yields dissolution rates that can be applied to low-temperature weathering models of comets, chondrites, and icy worlds. Question 4) is addressed through batch experiments of olivine alteration from 90-150 ⁰C, and through continuous-flow olivine dissolution experiments from 0-150 ⁰C. The results of these experiments show that NH3 does not have a significant effect on olivine dissolution; however, the presence of NH3 is correlated with greater abundance and crystallinity of secondary phases including brucite, smectite, and lizardite. Finally, to address question 4 we completed experiments designed to identify a chemical signature for organic compounds co-altered with olivine in an NH3-bearing ocean. To do this, a synthetic chondritic organic material was reacted with and without NH3 and olivine at 100 ⁰C, and the reacted soluble organic compounds were analyzed by ultra-high-resolution mass analysis. The results show a specific signature distribution of organic compounds that is indicative of organic interaction with olivine. The integrated conclusions from these models and experiments suggests that while the ocean on Enceladus may be a geologically recent phenomenon, the role of NH3 in promoting clay growth as well as stabilizing N-bearing organics in hydrothermal conditions make hydrothermal vents on icy worlds a uniquely interesting system for prebiotic chemical reactions.