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Défi de tous les savoirs (DS10)
Edition 2014


PALLAS


Evolution précoce des planétésimaux et des astéroïdes dans le système solaire

Evolution précoce des planétésimaux et des astéroides dans le système solaire
Les processus de différenciation métal-silicate jouent un rôle prédominant dans l'évolution des planétésimaux. Cependant, les mécanismes en jeu, le rôle des différentes sources de chaleur et la chronologie exacte de la ségrégation restent controversées. Une approche expérimentale, ainsi que des modèles numériques aident à interpréter les résultats obtenus pour les échantillons naturels (météorites primitives riches en métal).

Contraintes sur les processus de différenciation métal-silicate dans les planétésimaux au début de l’histoire du système solaire.
L’objectif de ce projet multi-disciplinaire est de contraindre les processus de différenciation métal-silicate dans des planétésimaux (taille de quelques dizaines à centaines de kilomètres) au tout début de l’histoire du système solaire. Pour cela, nous nous proposons de :
- dater des météorites primitives riches en métal, quantifier les sources de chaleur (26Al, 60Fe) à l’origine de la fusion des planétésimaux et étudier les fractionnements isotopiques dépendants de la masse pour quantifier les mécanismes impliqués dans les processus ;
- développer des modèles physiques de différenciation planétaire en tenant compte de l‘évolution chimique et minéralogique des phases pendant la fusion, et étudier la dynamique du fractionnement isotopique entre métal et silicate ;
- étudier les conséquences chimiques et isotopiques de la ségrégation en conditions contrôlées grâce à la pétrologie expérimentale, ceci afin d’interpréter au mieux les résultats obtenus sur les échantillons naturels ;
- calculer par une approche théorique (calculs ab initio ou DFT) le fractionnement du Ni, du Si et du W dans les silicates par rapport au métal.

Une approche multidisciplinaire : géochimie isotopique, pétrologie expérimentale, modélisation numérique, calculs ab initio
* Nous déterminons l'âge des météorites partiellement différenciées grâce aux chronomètres 182Hf-182W, 60Fe-60Ni et 26Al-26Mg; dans le même temps, les fractionnements isotopiques dépendants de la masse du Si, Ni, et W permettent d’identifier et de quantifier les mécanismes impliqués dans les processus de séparation métal-silicate.
* Les modèles physiques de différenciation explorent quant à eux l’espace des paramètres. Nos efforts portent principalement sur un modèle de compaction à 3 phases.
* En pétrologie expérimentale, nous considérons un système initial bi-phasique métal-silicate - dont une phase est dopée avec l'élément d'intérêt - et nous réalisons les expériences dans un four vertical à atmosphère contrôlée CO/CO2.
* Enfin, nous comparons les fractionnements isotopiques dépendants de la masse mesurés dans les échantillons naturels, dans nos expériences, et ceux obtenus par calculs ab initio pour déterminer le degré d’équilibre atteint.

Résultats

* Grâce aux chronomètres 182Hf-182W et 60Fe-60Ni, nous avons montré que de petits corps parents ont subi un début de ségrégation de métal à une époque où d’autres objets beaucoup plus gros (corps parents des météorites de fer) étaient totalement différenciés.
A l’équilibre isotopique, aucun fractionnement significatif métal-silicate du Ni n’est observé dans les charges de pétrologie expérimentale, suggérant que les variations de compositions isotopiques observées dans les échantillons naturels ne sont pas le reflet de processus de ségrégation métal – silicate à l’équilibre. L’absence de fractionnement métal-silicate à haute température est confirmée par les calculs ab initio. Les variations de composition isotopique sont plus probablement contrôlées par des processus d’évaporation/recondensation dans la nébuleuse.
En outre, le comportement du W et de ses isotopes lors des processus d’altération a été étudié expérimentalement. Un fractionnement chimique et isotopique est observé.

* En parallèle, l'évolution thermique des planétésimaux au cours de leur accrétion a été étudiée et fait l'objet d'un article (Ricard et al. 2016). A côté de cela, la modélisation du mélange dynamique d'un diapir de métal au sein d'un corps fondu a été centrée sur les effets de la rotation du corps. Il apparaît que ces effets devraient considérablement impacter les échanges chimiques et thermiques entre les phases métalliques et silicatées. La rhéologie non-Newtonienne semble également jouer un rôle majeur en favorisant la fragmentation lorsque les effets visqueux sont prépondérants.

Perspectives

Après avoir concentré nos efforts sur le comportement du nickel, second élément le plus abondant dans la phase métallique, nous allons nous intéresser plus particulièrement au tungstène. Suite à l'étude des chondrites riches en métal, nous poursuivons avec les achondrites primitives. Par ailleurs, les perturbations du signal isotopique dues aux interactions fluide-roche vont être prises en compte, en particulier dans le cas du tungstène.
Une fois les abondances en 26Al et 60Fe établies pour les différents corps parents, ces données seront bien entendu intégrées aux modèles de compaction simulant les processus de différenciation et qui permettent de déterminer l'évolution thermique des objets.

Productions scientifiques et brevets

Y. Ricard, D. Bercovici et F. Albarède (2016) Thermal evolution of planetesimals during accretion, Icarus, soumis.
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Présentations en congrès :

1. G. Quitté, F. Poitrasson et T. Zambardi (2016) Nickel stable isotopes in planetary reservoirs. Annual Meeting of the Meteoritical Society, Berlin, Allemagne. Poster.
2. J. Guignard, G. Quitté, M.J. Toplis, F. Poitrasson et M. Roskosz (2016) Core formation conditions in planetesimals: constraints from isotope fractionation experiments (Ni, Fe). AGU Fall Meeting, San Francisco, USA. Poster.
3. N.H.Yin, J. Guignard, S. Fabre et G. Quitté (2016) Tungsten Mobility during Alteration Processes: an Experimental Approach. AGU Fall Meeting, San Francisco, USA. Présentation orale.

Partenaires

GET - CNRS Géosciences Environnement Toulouse

IRAP - UPS Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie

LGLTPE - CNRS Labotaroire de Géologie de Lyon : Terre, Planètes, Environnement

Aide de l'ANR 393 131 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

L’objectif de ce projet multi-disciplinaire est de contraindre les processus de différenciation métal-silicate dans des planétésimaux (taille de quelques dizaines à centaines de kilomètres) au tout début de l’histoire du système solaire. Quand la différenciation métal-silicate a-t-elle eu lieu ? Qu’est-ce qui l’a provoquée ? Quel est le rôle des différentes sources de chaleur ? Dans quelles conditions la ségrégation du métal s’est-elle produite ? Quels sont les mécanismes de différenciation ?
Pour répondre à ces questions, nous combinerons les données isotopiques obtenues sur des météorites partiellement différenciées avec des résultats de géochimie et pétrologie expérimentale, modélisation physique, minéralogie et calculs ab initio.
Les météorites primitives riches en métal sont de bonnes candidates pour fournir des informations précises sur les étapes les plus précoces de la ségrégation du métal dans leurs corps parents. Nous déterminerons leur âge et étudierons les fractionnements isotopiques dépendants de la masse du Si, Ni, Cr et W, étant donné que les isotopes stables permettent d’identifier et de quantifier les mécanismes impliqués dans les processus. Le radiochronomètre à courte période 182Hf-182W est l’un des mieux adaptés à l’étude de la ségrégation du métal. Il sera associé à deux autres fournissant des informations complémentaires : le chronomètre 60Fe-60Ni date le refroidissement du métal, alors que le 26Al-26Mg renseigne sur la phase silicatée. En combinant les échelles de temps déduites des différents chronomètres aux températures de fermeture différentes, l’histoire thermique du corps pourra être déduite. D’après des travaux récents, la distribution des radionucléides à courte période 26Al et 60Fe était probablement hétérogène dans le système solaire primitif. Nous évaluerons l’abondance exacte de ces sources de chaleur dans chaque corps parent. Nous envisageons aussi d’explorer de façon systématique et statistique l’histoire de la croissance des planétésimaux, c’est-à-dire les taux d’accrétion et l’histoire thermique des corps. Ceci nous permettra de faire des comparaisons plus pertinentes avec les observations pétrologiques et cosmochimiques. Les résultats nous aideront également à contraindre l’état initial du planétésimal, ce qui est capital pour modéliser la ségrégation métal-silicate.
Les modèles physiques de différenciation exploreront l’espace des paramètres. Deux aspects particulièrement novateurs sont : (1) la prise en compte de l‘évolution chimique et minéralogique des phases pendant la fusion, (2) l’étude dynamique du fractionnement isotopique entre métal et silicate pour les éléments chimiques pertinents. Dans le même temps, les conséquences chimiques et isotopiques de la ségrégation en conditions contrôlées seront testées par de la pétrologie expérimentale. Nous considérerons soit un système initial bi-phasique métal-silicate, soit la production de métal par réduction en cours d’expérience. Le système métal-silicate sera étudié à la fois à 1 bar en four vertical CO/CO2, et à 1-3 GPa en utilisant un piston cylindre. A cause de la volatilité du soufre, le système sulfure-métal nécessite un piston cylindre. Les produits de réaction seront caractérisés (minéralogie et composition chimique) avant de déterminer leur composition chimique par spectrométrie de masse. Enfin, nous comparerons les fractionnements isotopiques dépendants de la masse mesurés dans les échantillons naturels, dans nos expériences, et ceux obtenus par calculs ab initio pour déterminer le degré d’équilibre atteint.

Le projet PALLAS est une coopération entre géo-/cosmochimistes, géodynamiciens, minéralogistes, modélisateurs, expérimentalistes de quatre laboratoires français (IRAP à Toulouse, GET à Toulouse, ENS de Lyon, et UMET à Lille). Le financement par l’ANR est essentiel pour fournir aux laboratoires le soutien nécessaire afin qu’ils puissent développer des projets scientifiques à long terme au plus haut niveau international.

 

Programme ANR : Défi de tous les savoirs (DS10) 2014

Référence projet : ANR-14-CE33-0006

Coordinateur du projet :
Madame Ghylaine QUITTE-LEVASSEUR (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie)

Site internet du projet : https://pallas2016.wordpress.com/

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.