Origine du néon terrestre : contrainte par la composition actuelle du néon dans le manteau terrestre

Origin of the terrestrial neon: constraints by the present-day isotopic composition of the neon in the Earth's mantle

• Auteur / Autrice : Romain Sauvalle
• Direction : Manuel Moreira
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISTO - Institut des Sciences de la Terre d'Orléans

Mots clés

Mots clés libres

Gaz nobles

Géochimie

Manteau

Basaltes d'iles océaniques

Bulle par bulle

Noble gases

Geochemistry

Mantle

Oceanic Island Basalts

Bubble by bubble

Résumé

L'origine des éléments volatils sur Terre est une des grandes questions en sciences de la Terre et en planétologie. Plusieurs scénarios sont généralement proposés pour cette origine dont deux principaux émergent. Le premier propose une accrétion « sèche », suivi d'un apport tardif des éléments volatils (H2O, C, N) transportés par des météorites de type chondrites carbonées et/ou des comètes, après la fin de l'accrétion de la Terre. Le second scénario suggère au contraire que les éléments volatils étaient présents dans les corps parents de la Terre. La notion de Terre « sèche » repose sur l'idée que l'environnement de formation des corps parents de la Terre – près du Soleil – ne permettait pas la condensation, ou favorisait une évaporation, des éléments volatils et très volatils, y compris des éléments chimiques tels que le K, Rb, Zn, Pb. Toutefois, cette notion cosmochimique de la volatilité n'empêche en rien un enrichissement en éléments volatils, tels que l'hélium, le néon, l'hydrogène, des éléments à très basse température de condensation - si un phénomène physique indépendant de la condensation ou l'évaporation existe. Un tel processus peut être l'irradiation par le vent solaire, qui peut ré-enrichir en certains éléments des matériaux « secs ». Il existe un traceur géochimique qui permet de tester ce modèle, le néon. Le néon est un gaz rare, dont la température de condensation est de quelques Kelvin et donc il est présent en quantité infime dans les solides du système solaire en formation. Par contre, il est un des éléments majeurs du soleil (le 5ème), et donc du vent solaire. Aussi une irradiation par le vent solaire est facilement traçable par le néon, et en particulier par sa signature isotopique, qui permet de distinguer entre vent solaire et nébuleuse solaire. Le néon et ses isotopes sont mesurables par broyage sous vide de roches terrestres couplée à la spectrométrie de masse gaz rares. Les résultats d'analyse du néon dans les basaltes de dorsales ou de points chauds suggèrent que le néon a pu en effet être incorporé dans les corps parents de la Terre par l'irradiation du vent solaire sur les premières poussières formées dans le système solaire. Toutefois, ces analyses sur des échantillons centimétriques révèlent souvent la présence d'un composant atmosphérique qui vient contaminer le gaz magmatique et rendre l'interprétation difficile, car tous les scénarios pour l'origine du néon restent possibles. La thèse vise à développer un protocole expérimental pour l'analyse du néon dans des bulles de gaz individuelles dans les basaltes océaniques. Cette méthode permet de s'affranchir de la contamination atmosphérique. La composition isotopique du néon dans ces bulles se fera par spectrométrie de masse couplée à l'ablation laser, et ce sur un équipement de pointe en cours d'acquisition dans le cadre de l'ERC APATE de Manuel Moreira. Une approche de pétrologie expérimentale et une approche de modélisation (dynamique moléculaire) pourront être également demandées dans le cadre de la thèse. Les implications pour l'origine de l'hydrogène et de l'eau dans la Terre profonde sont alors significatives, car si le néon est un élément majeur du vent solaire, l'hydrogène l'est encore plus. Les implications cosmochimiques de la thèse se focaliseront sur les conditions de pressions, températures et irradiation dans l'environnement de formation de la jeune Terre, et il sera également discuté l'existence d'une atmosphère primordiale solaire capturée autour de cette jeune Terre.

The provenance of volatile elements on Earth remains a significant question within the big questions in Earth sciences and planetary science. Various hypotheses have been proposed regarding this origin, with two main ones emerging. The first suggests a 'dry' accretion, followed by a later input of volatile elements (H2O, C, and N, which were conveyed by carbonaceous chondrites and/or comets after the end of Earth's accretion. The second scenario suggests, on the contrary, that the volatile elements were present in the parent bodies of Earth. The concept of a 'dry' Earth is based on the idea that the formation environment of the parent bodies of Earth - near the Sun - did not allow for the condensation or favored the evaporation of volatile and very volatile elements, including chemical elements such as K, Rb, Zn, and Pb. However, this cosmochemical notion of volatility does not preclude an enrichment in volatile elements, such as helium, neon, and hydrogen, elements with very low condensation temperatures - if a physical phenomenon independent of condensation or evaporation exists. Such a process can be irradiation by the solar wind, which can re-enrich certain elements in 'dry' materials. The proposed model can be tested using a geochemical tracer: the neon. Neon is a noble gas, with a condensation temperature of a few Kelvins. Consequently, it is found in minute quantities within the solids of the forming solar system. However, it is one of the major elements of the sun, ranking fifth in abundance, and consequently, a significant component of the solar wind. Thus, irradiation by the solar wind is easily traceable by neon, specifically through its isotopic signature, which enables differentiation between the solar wind and the solar nebula. Neon and its isotopes can be measured by vacuum crushing of terrestrial rocks coupled with rare gas mass spectrometry. The results of neon analysis in mid-ocean ridge and hotspot basalts suggest that neon could indeed have been incorporated into the parent bodies of Earth through the irradiation of the solar wind on the first dust particles formed in the solar system. However, these analyses on centimeter-scale samples often reveal the presence of an atmospheric component that contaminates the magmatic gas and makes interpretation difficult, as all scenarios for the origin of neon remain possible. The thesis aims to develop an experimental protocol for the analysis of neon in individual gas bubbles in oceanic basalts. This method allows for the elimination of atmospheric contamination. The isotopic composition of neon in these bubbles will be determined using laser ablation mass spectrometry on state-of-the-art equipment currently being acquired as part of Manuel Moreira's ERC APATE project. An experimental petrology approach and a modeling approach (molecular dynamics) may also be required as part of the thesis. The implications for the origin of hydrogen and water in the deep Earth are significant, because if neon is a major element of the solar wind, hydrogen is even more so. The cosmochimical implications of the thesis will focus on the pressure, temperature, and irradiation conditions in the environment of the young Earth's formation, and the existence of a solar primordial atmosphere captured around this young Earth will also be discussed.