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Édith Kubik lauréate du Prix de thèse 2022 de la CNFGG

Édith Kubik a reçu le Prix de géophysique 2022 pour sa thèse "Elemental and stable isotopic fractionations of siderophile elements – Implications for the delivery of Earth’s volatile elements".

Édith Kubik lauréate du Prix de thèse 2022 de la CNFGG

Date de publication : 06/12/2022

Presse, Prix et distinctions, Recherche

Depuis 1988, le Comité National Français de Géodésie et Géophysique (CNFGG) décerne chaque année un prix de thèse en géophysique à un ou plusieurs jeunes chercheurs ayant soutenu des thèses remarquables dans le domaine de la géophysique que ce soit pour leurs aspects fondamentaux ou observationnels ou pour leurs applications potentielles dans la société.

 

Étude expérimentale de l’accrétion des éléments volatils sur Terre

Les éléments volatils et notamment l’eau, sont intrinsèquement liés à l’apparition de la vie et à la mise en place de la tectonique des plaques sur Terre. Le mécanisme et le timing de l’accrétion de ces éléments sur Terre, ainsi que la nature des matériaux précurseurs qui les ont apportés, font l’objet de multiples hypothèses.

Les scénarios actuels suggèrent que les éléments volatils ont pu être apportés sur Terre de manière constante durant toute la phase d’accrétion, ou au contraire à la toute fin de l’accrétion terrestre, à la suite de la différenciation noyau-manteau. Dans ce second cas, les éléments volatils se seraient mélangés au manteau terrestre sans rencontrer d’équilibre chimique avec le noyau, leur signature dans le manteau ne reflétant pas cette différenciation.

Dans ce contexte, le comportement d’éléments à la fois volatils et sensibles à la différenciation – c’est-à-dire les éléments ayant une affinité pour le fer métallique, aussi appelés éléments sidérophiles – peut être utilisé pour distinguer les différents scénarios possibles d’accrétion des éléments volatils.

Dans le cadre de ma thèse, j’ai réalisé des expériences à haute pression en laboratoire pour reproduire les conditions de la différenciation. J’ai mesuré le comportement d’éléments volatils et sidérophiles (Sn, Cd, Bi, Sb et Tl) entre métal et silicate avec des outils analytiques de pointe permettant de quantifier l’affinité de ces éléments pour le noyau.

J’ai ensuite modulé le comportement de ces éléments en fonction des conditions physico-chimiques (pression, température, oxydo-réduction, composition chimique), permettant ainsi de prédire la distribution de ces éléments entre noyau et manteau aux conditions de la différenciation terrestre. J’ai développé et utilisé des modèles numériques pour recalculer les conditions de l’équilibre noyau-manteau à chaque étape de la formation de la Terre et ainsi reconstruire la distribution des éléments volatils en simulant tous les scénarios précédemment proposés.

Expérience effectuée dans une presse piston-cylindre à haute pression et haute température. Au centre, une bille métallique est l’analogue du noyau terrestre. Autour, un verre silicaté permet de simuler le manteau terrestre. Ces deux phases sont contenues dans une capsule expérimentale en MgO. © IPGP

Les résultats de ces travaux montrent que les éléments étudiés ont une très forte affinité pour le noyau métallique, suggérant qu’une accrétion homogène tout au long de la formation et de la différenciation terrestre appauvrirait fortement ces éléments dans le manteau par ségrégation dans le noyau. Un scénario d’accrétion tardive est nécessaire pour expliquer les abondances relativement élevées en éléments volatils et sidérophiles présents dans le manteau terrestre.

Modèle d'accrétion des éléments volatils sur Terre incluant les résultats reportés dans ces travaux de thèse (en gras). Dans ce scénario, les éléments volatils sont accrétés lors des derniers 10-20% de l’accrétion terrestre, sous la forme d’un impact géant de composition chondritique (chondrites carbonées) qui pourrait correspondre à l’impact à l’origine de la formation de la Lune. La différenciation noyau-manteau se produit par équilibration partielle des deux réservoirs. Un vernis tardif de 0,5% de la masse terrestre est accrété après la fin de la différenciation. Le budget en soufre du noyau terrestre est estimé à environ 3%. © IPGP
Modèle d'accrétion des éléments volatils sur Terre incluant les résultats reportés dans ces travaux de thèse (en gras). Dans ce scénario, les éléments volatils sont accrétés lors des derniers 10-20% de l’accrétion terrestre, sous la forme d’un impact géant de composition chondritique (chondrites carbonées) qui pourrait correspondre à l’impact à l’origine de la formation de la Lune. La différenciation noyau-manteau se produit par équilibration partielle des deux réservoirs. Un vernis tardif de 0,5% de la masse terrestre est accrété après la fin de la différenciation. Le budget en soufre du noyau terrestre est estimé à environ 3%. © IPGP
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