Partage métal-silicate du gallium à hautes pressions et hautes températures. Implications pour l’accrétion et la différenciation terrestre

Les compositions du noyau et du manteau sont directement liées aux conditions physico-chimiques qui régnaient lors de l’accrétion et de la différenciation terrestre. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à expliquer l’abondance énigmatique du gallium dans le manteau terrestre. Le gallium est un élément modérément volatil et modérément sidérophile, qui devrait être doublement appauvri dans la Terre silicatée : à cause de son appauvrissement dans la terre globale, et à cause de son enrichissement dans le noyau. Pourtant, il ne semble pas appauvri dans la Terre silicatée par rapport aux éléments lithophiles de même volatilité (e.g. sodium, potassium), et semble donc non fractionné par la formation du noyau. Il se comporterait donc de prime abord comme un élément modérément volatil et lithophile. Or toutes les expériences mettant en jeu des équilibres métal-silicate montrent que le gallium est sidérophile à hautes pressions et hautes températures. Afin de résoudre ce paradoxe, nous avons cherché à étudier expérimentalement le partage du gallium dans les conditions de formation du noyau terrestre. Dans un premier temps, nous avons mené une série d’expériences en presse piston-cylindre afin de jauger le caractère siderophile du gallium. Nous avons testé de manière systématique un effet jusque là ignoré, et potentiellement important : celui de l’incorporation d’éléments légers en phase métallique sur le partage métal-silicate du gallium. Cette étude a permis de mettre en évidence les fortes interactions ayant lieu entre le gallium, l’oxygène et le silicium dissouts dans le fer. Un modèle de formation du noyau extrapolant nos résultats aux conditions de pression et température pertinentes pour la formation du noyau terrestre nous a permis de prédire que l’incorporation dans le noyau de quelques pourcent d’oxygène et de silicium rendait le gallium moins sidérophile. Dans un second temps, nous avons mené des expériences de partage métal-silicate du gallium en cellules à enclumes de diamants chauffées par laser. Les résultats montrent que le coefficient de partage du gallium est très différent de celui prédit par les extrapolations des expériences de plus basses pressions et températures de presse gros volume. Ainsi, aucune condition d’équilibre noyau-manteau ne permet d’expliquer un comportement lithophile du gallium dans la Terre ; celui-ci reste un élément modérément sidérophile. Nous en concluons que l’apparent désaccord entre l’expérimentation d’une part et la géochimie du manteau d’autre part n’est pas dû au fait que le gallium soit moins siderophile que prévu, mais qu’il est moins volatil qu’attendu. Nous réconcilions ces deux observations contradictoires en proposant que le gallium est effectivement appauvri dans le manteau par la formation du noyau, mais que sa concentration dans la Terre globale est beaucoup plus élevée que prévu à cause d’une volatilité réduite. Nous expliquons cette baisse de volatilité par des processus d’évaporation/condensation post-nébulaires lors des nombreux impacts ayant lieu lors de l’accrétion terrestre. Compositions of core and mantle are directly linked to physicochemical conditions of Earth’s accretion and differentiation. In this work, we are trying to explain the enigmatic abundance of gallium in Earth mantle. Gallium is a moderately volatile and moderately siderophile element, which should be, depleted in bulk silicate Earth, because of its depletion on bulk Earth and its enrichment in the core. Nevertheless, it is not depleted on bulk silicate Earth compared to lithophile elements of same volatility (e.g. sodium, potassium), and doesn’t seem to be fractionated by core formation. Thus, it seems to behave as a moderately volatile and lithophile element. Yet, all experiments including metal-silicate equilibration highlight that gallium is siderophile at high pressures and high temperatures. To solve this paradox, we experimentally studied gallium partitioning at core formation conditions. As a first step, we performed a series of piston-cylinder experiments to gauge the siderophile character of gallium. We systematically investigated an effect that has been ignored until now: the incorporation of light elements in the metallic phase on gallium metal-silicate partitioning. This study underlined strong interactions between gallium and oxygen and silicium that are dissolved in iron. A core formation model extrapolating our results to pressure and temperature conditions of core formation allow us to predict that incorporation in the core of few weight percent of oxygen and silicon make gallium less siderophile. As a second step, we performed gallium metal-silicate partitioning experiment using laser-heating diamond anvil cell. We show that gallium partitioning is very different from what was predict from low pressure and low temperature experiments extrapolation. Thus, there is no core-mantle equilibration conditions that allows to make gallium lithophile on Earth: it stays a moderately siderophile element. We conclude that the apparent disagreement between experimentation and mantle geochemistry is not because gallium is less siderophile than expected, but because it is less volatile. We reconcile those two contradictory observations by proposing that gallium is depleted in the mantle by core formation, but its concentration in bulk Earth is much higher than expected because of a reduce volatility. We explain this decrease of volatility by post-nebular evaporation/condensation processes linked to impacts that occurred during Earth accretion.