Dynamique du fractionnement thermique et chimique lors de la différenciation des planètes telluriques

Thermal and chemical partitioning dynamics during the differentiation of terrestrial planets

• Auteur / Autrice : Victor Lherm
• Direction : Renaud Deguen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance le 22/07/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Chloé Michaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Deguen, Chloé Michaut, Nicolas Coltice, Michael Le Bars, Anne Davaille, Peter Olson, Henri Samuel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Coltice, Michael Le Bars

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes telluriques

Mots clés libres

Différenciation planétaire

Océan de magma

Équilibrage métal-silicate

Mélange

Cratère d’impact

Thermique turbulent

Planetary differentiation

Magma ocean

Metal-silicate equilibration

Mixing

Impact crater

Turbulent thermal

Résumé

Les planètes telluriques du système solaire se sont formées par l’accrétion successive de corps de plus en plus massifs. Simultanément, les planètes se sont différenciées en un noyau métallique entouré d'un manteau silicaté. Le métal apporté par les impacteurs est en déséquilibre thermodynamique avec les silicates de la proto-planète, ce qui produit des échanges métal-silicate conduisant à un fractionnement chimique et thermique entre le manteau et le noyau. Ce fractionnement est contraint par des données géochimiques, qui apportent également des informations sur la chronologie de l’accrétion et sur les conditions thermodynamiques de la différenciation. L’interprétation de ces données, ainsi que l’évolution thermique, chimique et magnétique des planètes et les conséquences géodynamiques qui en découlent, dépendent donc crucialement de l’efficacité d’équilibrage entre métal et silicates. L’objectif de cette thèse est d'étudier les échanges thermiques et chimiques dans les océans de magma afin de mieux contraindre l’efficacité d'équilibrage. La première partie s'intéresse à l'influence des impacts planétaires sur l'homogénéisation métal-silicate. Des expériences analogues en laboratoire permettent d’étudier l’évolution de la taille des cratères, le mélange produit pendant l’impact et le champ de vitesse associé à la cratérisation. La seconde partie s'intéresse à l'équilibrage métal-silicate pendant la phase post-impact, c'est-à-dire durant la migration du métal dans l'océan de magma, sous la forme d'un thermique turbulent. Des simulations numériques et des expériences permettent alors de mettre en évidence le rôle de l'étirement de la phase métallique sur l'équilibrage.

During the formation of the solar system, terrestrial planets formed by the successive accretion of increasingly massive bodies. These planets simultaneously differentiate into a metal core surrounded by a silicate mantle. The metal core of the impactors is in thermodynamic disequilibrium with the silicates of the growing planet, which produces metal-silicate mass and heat transfers, and leads to a chemical and thermal fractionation between the mantle and the core. Fractionation is constrained by geochemical data, which also provide information on the chronology of accretion and on the thermodynamic conditions of differentiation. The interpretation of geochemical data, together with the thermal, chemical and magnetic evolution of the planets, and the resulting geodynamical consequences, depend crucially on the metal-silicate equilibration efficiency. The purpose of this thesis is therefore to study heat and mass transfers in magma oceans in order to better constrain the equilibration efficiency. The first part focuses on the influence of planetary impacts on metal-silicate equilibration. Analogue laboratory experiments are used to study the evolution of the crater size, the mixing produced during the impact and the cratering velocity field. The second part focuses on metal-silicate equilibration during the post-impact stage, i.e. during the migration of the metal phase in the magma ocean as a turbulent thermal. Numerical simulations and experiments are then used to determine the role of the metal phase stretching on the equilibration dynamics.