Hydrogène des phases de hautes températures des chondrites : origine et contribution aux budgets en hydrogène des corps du Système Solaire interne.

Hydrogen in the high-temperature phases of chondrites: origin and contribution to the hydrogen budget of the rocky planets.

• Auteur / Autrice : Dorian Thomassin
• Direction : Yves Marrocchi, Laurette Piani
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 16/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CRPG - Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Formation du Système Solaire et des Planètes

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogène

Chondrites

Cosmochimie

Expérimentation

Cosmochemistry

Experimentation

Hydrogen

Chondrites

Résumé

Les chondres, composants majoritaires des chondrites, sont des billes silicatées formées lors d'épisodes de hautes températures ayant lieu dans les premiers millions d'années de notre Système Solaire. Bien que les conditions de formation des chondres (températures, vitesses de chauffe et refroidissement, fugacité d'oxygène, etc.) soient toujours mal connues à ce jour, de plus en plus d'observations indiquent que les chondres se sont formés dans des environnements riches en éléments volatils et modérément volatils (soufre, sodium, silicium etc.) et que les interactions gaz / silicates fondus ont été prépondérantes dans la mise en place des textures et des compositions chimiques et isotopiques de ces objets (e.g., Tissandier et al., 2002; Alexander et al., 2008; Nagahara et al., 2009; Marrocchi & Libourel, 2013; Piani et al., 2016; Libourel & Portail, 2018; Marrocchi et al., 2018, 2019). L'hydrogène est l'élément le plus abondant de notre Système Solaire, pourtant sa distribution et sa composition isotopique (rapport deutérium sur hydrogène: D/H) restent assez mal connues dans les matériaux planétaires (e.g., Alexander, 2017; Piani et al., 2018). Cela est lié en partie à la difficulté d'obtenir des échantillons extraterrestres ayant peu ou pas été modifiés par des épisodes de chauffe ou d'altération post-formation qui modifient la signature en hydrogène des roches. Un autre aspect est la difficulté technique pour identifier et séparer les différentes phases porteuses de l'hydrogène qui sont généralement intriquées à l'échelle micrométrique à sub-micrométrique. Si dans les chondrites carbonées hydratées (chondrites de type CI, CM et CR), les principaux porteurs de l'hydrogène -minéraux hydratés et composés organiques- ont fait l'objet de nombreuses études, les phases porteuses de l'hydrogène des chondrites non-carbonées (chondrites ordinaires, à enstatite et Rumurutite) ont été très peu caractérisées. Dans ces objets, les composants de hautes températures, telles que les chondres, sont très abondants et pourraient contribuer de façon significative aux budgets en volatils des roches. La quantification et la caractérisation isotopique de l'hydrogène dans les chondrites non-carbonées sont nécessaires pour comprendre la distribution des éléments volatils dans le Système Solaire interne et, en particuliers, dans les zones de formation des planètes. L'objectif de ce travail de thèse est double: Il s'agit, d'une part, d'effectuer une caractérisation fine de l'hydrogène des chondrites non-carbonées pour identifier les phases porteuses, leur concentration en hydrogène, et leur composition isotopique D/H par des méthodes d'investigation in situ (sonde ionique, microscopie électronique, spectroscopie Raman et infra-rouge). Une attention particulière sera portée aux minéraux et verres silicatés des chondres qui sont présents en abondance dans les chondrites non-carbonées. La présence d'autres éléments volatils tels que le carbone, l'azote ou les gaz nobles pourra faire l'objet d'études complémentaires. D'autre part, des expériences de hautes températures et basses pressions (≤ 1 bar) seront menées pour simuler la formation des chondres en présence de gaz riches en hydrogène et établir dans quelles conditions ces objets ont pu s'enrichir en éléments volatils. Les travaux effectués au cours cette thèse permettront au candidat d'acquérir une grande expérience et une autonomie sur des instruments analytiques de pointe tels que les spectromètres de masse à ions secondaires (SIMS IMS1280-HR2) ou les dispositifs de pétrologie expérimentale.

Chondrules (millimeter-sized igneous spheroids containing silicates, metal, sulfides, and glass) are the major high-temperature components of chondrites, suggesting that most inner solar system materials were affected by their formation. However, the underlying mechanisms of chondrule formation remain a mystery (e.g., Connolly & Jones, 2016). In the past ten years, there have been growing evidences that chondrule formation occurred under high partial pressures of volatile and moderately volatile elements such as sulfur, sodium or silicon and that gas-melt interactions played a significant role in shaping the chondrule textures and chemical and isotopic compositions (e.g., Alexander et al., 2008; Nagahara et al., 2009; Piani et al., 2016; Libourel & Portail, 2018; Marrocchi et al., 2018, 2019). Hydrogen is the most abundant element in the solar system. Nonetheless, the distribution and evolution of hydrogen in the protoplanetary disk and planetary materials remain poorly constrained (e.g., Alexander, 2017; Piani et al., 2018). This is partly due to the difficulty to obtain extraterrestrial samples that have escaped post-formation heating or alteration that could have modified their primordial hydrogen signature. Another technical difficulty is linked to the fact that the hydrogen-bearing phases are generally intertwined at a micro- to sub-micrometer scale. A large number of studies were performed to characterize the main H-bearing phases of hydrated carbonaceous chondrites (CI-, CM-, CR-type): the hydrated minerals and organic matter. However, the hydrogen-bearing phases of the non-carbonaceous chondrites (ordinary chondrites, enstatite chondrites and Rumurutite chondrites) have not been thoroughly investigated. In these non-carbonaceous chondrites, the high temperature components such as chondrules are very abundant and could contribute significantly to the hydrogen budgets of the whole rocks. Determining the hydrogen distribution, concentration and isotopic composition in the non-carbonaceous chondrites would help understand the distribution of volatile elements in the inner Solar System and, especially, in the feeding zone of terrestrial planets. The objectives of the thesis are of two kinds: - To perform a detailed characterization of the hydrogen distribution and isotopic composition among the non-carbonaceous chondrite phases using in situ analytical techniques (secondary ion mass spectrometry, secondary electron microscopy and electron micro-probe analyzer, Raman and infrared spectroscopy). Chondrule minerals and glasses will be of particular interest for this characterization. Other volatile elements such as carbon, nitrogen or noble gases could also be part of the characterization. - To build and run high-temperature/low-pressure (≤ 1 bar) experiments to simulate the formation of chondrule under high partial pressure of hydrogen to understand how chondrules could have acquired their hydrogen contents and isotopic compositions. This experimental study aims at (i) estimating the conditions in which volatile-rich chondrules formed and (ii) identifying the source(s) of hydrogen and the possible formation environment(s) for chondrules in the protoplanetary disk. Through this project the student will develop expertise and skills in state of the art analytical instruments such as SIMS IMS-1280HR or experimental petrology devices.