Elemental and stable isotopic fractionations of siderophile elements — Implications for the delivery of Earth’s volatile elements

Zoom link: https://us02web.zoom.us/j/85988467681?pwd=SnVGRktrc1NXenBaMGVxRU8vek52QT09 ID: 859 8846 7681 Code: 311351 Abstract: The accretion of volatile elements on Earth continues to be debated despite intense research focusing on the topic. Geochemical and cosmochemical observables have been explained by a variety of scenarios ranging from (1) an accretion of the volatile elements during the main phases of Earth’s formation to (2) an accretion of volatile-poor material followed by a late accretion of volatile-rich material after core formation ceased, called the late veneer. The mantle signature of elements that are both volatile and siderophile record volatile-related processes as well as differentiation-related processes. Studying the behaviour of such elements at metal–silicate equilibrium at high pressure and high temperature allows to separate the effect of differentiation from volatile-related processes on their abundances, and hence to discriminate scenarios capable of explaining the observed abundances. In this thesis work, the aim is to determine one or a variety of accretion scenarios of the Earth explaining the abundances of moderately volatile and siderophile elements in the mantle. Experiments were performed in piston cylinder and multianvil presses from 2 to 20 GPa and 1700 to 2600 K in order to measure the elemental and isotopic behaviour of a selection of moderately siderophile and volatile elements. Studying the partitioning of Sn, Cd, Bi, Sb and Tl allowed to determine the effect of temperature, pressure, fO2, and S content of the metal on the affinity of these elements for metal relative to silicate. The partitioning of these elements is reconstructed across Earth’s accretion, at appropriate pressure and temperature conditions. The studied elements present enhanced siderophility, preventing reconciliation of the experimental data with observed mantle abundances. A scenario involving partial equilibration of the mantle with the core, as well as a late delivery of volatile elements in the last 10 to 20 % of Earth’s accretion, as a large impactor, is able to explain the abundances of the studied elements, in agreement with other studies based on distinct observables. Around 3 wt.% of S in the core is needed to explain the Sn abundance. A late veneer consisting of 0.5 % of Earth’s mass is also required to explain the Bi abundance in the mantle. The study of Sn isotopic fractionation between metal and silicate yields a significant factor of ?0.3 ‰ at 2 GPa and 2000 K (?122/118Sn(metal?silicate)), suggesting that Sn isotopes could be fractionated at core formation conditions, enriching the mantle in light isotopes. Carbonaceous chondrites present an identical Sn isotopic composition to the silicate Earth, making them the most likely contributors to the source of volatile elements on Earth, according to this study. These results are consistent with the favoured accretion scenario suggested by the elemental fractionation part of this study. As elemental and isotopic fractionations of siderophile elements between metal and silicate are strongly dependent on the metal composition, the effect of the Ni content of the metal on Fe isotopic fractionation was tested. The experi- ments performed in this study (22 experiments, from 0 to 70 % Ni in the metal) do not allow to detect any effect of Ni on the Fe fractionation factor. Therefore, this study brings new insight regarding the timing, process and origin of the volatile delivery on Earth, as well as information on the effect of core composition on the behaviour of siderophile elements during Earth’s differentiation. Key words: Metal–silicate partitioning, isotopic fractionation, volatile elements, planetary accretion, tin, core formation, high pressure. Résumé en français : L’accre?tion des e?le?ments volatils sur Terre continue d’e?tre de?battue malgre? de nombreux travaux de recherche sur le sujet. Les observables ge?ochimiques et cosmochimiques ont e?te? explique?es par une large gamme de sce?narios allant de (1) l’accre?tion des e?le?ments volatils durant les phases principales de l’accre?tion ter- restre, jusqu’a? (2) l’accre?tion de mate?riaux pauvres en volatils, avec une addition tardive de mate?riel riche en e?le?ments volatils apre?s la fin de la diffe?renciation, aussi appele?e vernis tardif. Les signatures mantelliques des e?le?ments volatils et side?rophiles sont des enregistrements des processus lie?s a? la volatilite? et des processus de diffe?renciation. L’e?tude du comportement de ces e?le?ments dans un e?quilibre me?tal-silicate a? haute pression et haute tempe?rature permet de se?parer l’effet de la diffe?renciation de l’effet des processus volatils sur les abondances de ces e?le?ments, et donc de discriminer les sce?narios capables d’expliquer les abondances observe?es. Dans ce travail de the?se, nous cherchons a? de?terminer le ou les sce?narios d’accre?tion de la Terre permettant d’expliquer les abondances en e?le?ments volatils et side?rophiles observe?es dans le manteau. Des expe?riences mene?es dans des presses piston-cylindre et multi-enclume de 2 a? 20 GPa et de 1700 a? 2600 K ont permis d’observer les comportements e?le?mentaires et isotopiques d’une se?lection d’e?le?ments volatils et side?rophiles. L’e?tude du coefficient de partage de Sn, Cd, Bi, Sb et Tl a permis de de?terminer l’effet de la tempe?rature, la pression, la fO2, et la concentration en S dans le me?tal sur l’affinite? de ces e?le?ments pour le me?tal relativement au silicate. Le coefficient de partage de ces e?le?ments est reconstruit au cours de l’accre?tion terrestre, aux conditions de pression et tempe?rature approprie?es. Diffe?rents sce?narios d’accre?tion sont teste?s dans le but de reproduire les me?mes abondances finales que celles observe?es dans le manteau. Les e?le?ments e?tudie?s pre?sentent une side?rophilite? e?leve?e, qui ne permet pas d’expliquer les abondances e?leve?es observe?es dans le manteau. Un sce?nario impliquant un e?quilibre partiel entre noyau et manteau ainsi qu’une arrive?e des e?le?ments volatils dans les 10-20 derniers pourcents des phases principales d’accre?tion de la Terre, sous la forme d’un impacteur de grande taille, permettent d’expliquer les abondances de ces e?le?ments, en accord avec d’autres e?tudes base?es sur d’autres observables. Environ 3 wt.% de S dans le noyau sont e?galement ne?cessaires afin d’expliquer l’abondance en Sn. Un vernis tardif repre?sentant 0,5 % de la masse terrestre est e?galement requis afin d’expliquer l’abondance en Bi dans le manteau. L’e?tude du fractionnement isotopique de l’Sn entre me?tal et silicate a permis de mesurer un facteur significatif de ?0.3 ‰ a? 2 GPa et 2000 K (?122/118Sn(metal?silicate)), impliquant qu’un fractionnement isotopique de l’Sn pourrait avoir lieu aux conditions de la diffe?renciation terrestre, ayant pour effet d’enrichir le manteau en isotopes le?gers. Les chondrites carbone?es pre?sentent une composition similaire a? la Terre silicate?e ce qui en fait les meilleures candidates comme source des volatils sur Terre, d’apre?s les re?sultats de cette e?tude. Ces re?sultats sont compatibles avec le sce?nario d’accre?tion favorise? au vu des donne?es e?le?mentaires. Les fractionnements e?le?mentaires et isotopiques des e?le?ments entre me?tal et silicate e?tant fortement de?pendant de la composition du me?tal, l’effet de la teneur en Ni dans le me?tal sur le fractionnement isotopique du Fe est teste?. Les expe?riences re?alise?es (22 expe?riences, de 0 a? 70 % Ni) ne permettent pas de de?tecter un effet du Ni sur le fractionnement du Fe. Cette e?tude apporte donc de nouveaux e?le?ments de re?ponse concernant le timing et le me?canisme d’accre?tion, et l’origine des e?le?ments volatils sur Terre, ainsi que des informations sur l’effet de la composition du noyau sur le comportement des e?le?ments side?rophiles lors de la diffe?renciation. Mots cle?s : Partage me?tal-silicate, fractionnement isotopique, e?le?ments volatils, accre?tion terrestre, e?tain, diffe?renciation terrestre, haute pression.