Fractionnement élémentaire et isotopique des éléments sidérophiles : implications pour l’accrétion des éléments volatils sur Terre

L’accretion des elements volatils sur Terre continue d’etre debattue malgre de nombreux travaux de recherche sur le sujet. Les observables geochimiques et cosmochimiques ont ete expliquees par une large gamme de scenarios allant de (1) l’accretion des elements volatils durant les phases principales de l’accretion ter- restre, jusqu’a (2) l’accretion de materiaux pauvres en volatils, avec une addition tardive de materiel riche en elements volatils apres la fin de la differenciation, aussi appelee vernis tardif. Les signatures mantelliques des elements volatils et siderophiles sont des enregistrements des processus lies a la volatilite et des processus de differenciation. L’etude du comportement de ces elements dans un equilibre metal-silicate a haute pression et haute temperature permet de separer l’effet de la differenciation de l’effet des processus volatils sur les abondances de ces elements, et donc de discriminer les scenarios capables d’expliquer les abondances observees. Dans ce travail de these, nous cherchons a determiner le ou les scenarios d’accretion de la Terre permettant d’expliquer les abondances en elements volatils et siderophiles observees dans le manteau. Des experiences menees 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 elementaires et isotopiques d’une selection d’elements volatils et siderophiles. L’etude du coefficient de partage de Sn, Cd, Bi, Sb et Tl a permis de determiner l’effet de la temperature, la pression, la fO2, et la concentration en S dans le metal sur l’affinite de ces elements pour le metal relativement au silicate. Le coefficient de partage de ces elements est reconstruit au cours de l’accretion terrestre, aux conditions de pression et temperature appropriees. Differents scenarios d’accretion sont testes dans le but de reproduire les memes abondances finales que celles observees dans le manteau. Les elements etudies presentent une siderophilite elevee, qui ne permet pas d’expliquer les abondances elevees observees dans le manteau. Un scenario impliquant un equilibre partiel entre noyau et manteau ainsi qu’une arrivee des elements volatils dans les 10-20 derniers pourcents des phases principales d’accretion de la Terre, sous la forme d’un impacteur de grande taille, permettent d’expliquer les abondances de ces elements, en accord avec d’autres etudes basees sur d’autres observables. Environ 3 wt.% de S dans le noyau sont egalement necessaires afin d’expliquer l’abondance en Sn. Un vernis tardif representant 0,5 % de la masse terrestre est egalement requis afin d’expliquer l’abondance en Bi dans le manteau. L’etude du fractionnement isotopique de l’Sn entre metal et silicate a permis de mesurer un facteur significatif de ~0.3 ‰ a 2 GPa et 2000 K (∆¹²²/¹¹⁸Snmetal−silicate), impliquant qu’un fractionnement isotopique de l’Sn pourrait avoir lieu aux conditions de la differenciation terrestre, ayant pour effet d’enrichir le manteau en isotopes legers. Les chondrites carbonees presentent une composition similaire a la Terre silicatee ce qui en fait les meilleures candidates comme source des volatils sur Terre, d’apres les resultats de cette etude. Ces resultats sont compatibles avec le scenario d’accretion favorise au vu des donnees elementaires. Les fractionnements elementaires et isotopiques des elements entre metal et silicate etant fortement dependant de la composition du metal, l’effet de la teneur en Ni dans le metal sur le fractionnement isotopique du Fe est teste. Les experiences realisees (22 experiences, de 0 a 70 % Ni) ne permettent pas de detecter un effet du Ni sur le fractionnement du Fe. Cette etude apporte donc de nouveaux elements de reponse concernant le timing et le mecanisme d’accretion, et l’origine des elements volatils sur Terre...