Dissertations / Theses on the topic 'Primitive Earth'

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences, 2010.
"September 2010." Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references.
Field studies, major and trace element geochemistry, isotopes, petrography, phase equilibrium experiments and thermodynamics are used investigate and understand primitive melts from the Earth and the Moon. Chapter 1 investigates spinifex orthopyroxene compositions from the komatiites of Commondale, South Africa, and uses phase equilibrium experiments to illustrate that the Commondale Komatiites were hydrous magmas when they were emplaced. Hydrous komatiites provide evidence for the existence of subduction zone volcanism during the Archean, and decreases the temperature required to explain komatiites volcanism, which is the major physical evidence used to determine the mantle potential temperature of the Archean. Chapter 2 uses phase equilibrium experiments investigate the origin of the Apollo 15 green glasses from the Moon. Garnet-lherzolite saturated experiments are used to calibrate a melting algorithm used to estimate the chemical compositions of melts of a primordial lunar mantle. Mixing models are used to reproduce the Apollo 15 green glass compositions. These models are consistent with primordial melts assimilating late stage lunar magma ocean cumulates to produce the green glasses. This provides evidence for the magma overturn hypothesis, as well as evidence that the lunar magma ocean may not have been whole moon. Chapter 3 uses phenocryst petrology, Os-isotopes, major and trace element geochemistry and petrography to argue for the formation of primitive magnesian andesites of Mt. Shasta and Mt. Lassen as primary mantle melts. Recent proposals that primitive magnesian andesites form by mixing dacites with subvolcanic peridotite are disproven. Samples of these lavas from newly discovered localities provide clear evidence for a mantle origin for these melts. Understanding the primitive melts present in the Cascade volcanoes will yield greater insight into the mantle processes involved in the plumbing of the sub-arc mantle. Chapter 4 develops a ternary regular solution model for Au-Pd-Fe alloys and uses this with Fe-exchange experiments to model the dependence of alloy composition on the oxygen fugacity. Au-Pd alloy capsules are essential to hydrous phase equilibrium studies at high-pressure and high-temperature, and the use of this model allows for the quantification of the oxygen fugacity of these experiments without compromising sample volume.
by Jay Arthur Barr.
Ph.D.

La Terre et Titan, plus grand satellite de Saturne, présentent des similarités atmosphériques importantes. Tous deux ont une atmosphère dense d'une pression de l'ordre du bar à leur surface, composée majoritairement d'azote. Une différence majeure de composition atmosphérique les distingue. Le second composé majoritaire est l'oxygène sur la Terre, le méthane sur Titan. L'atmosphère terrestre est par conséquent une atmosphère aux propriétés oxydantes alors que l'atmosphère de Titan est à tendance réductrice. Cette propriété entraîne des schémas d'évolution par photochimie radicalement différents pour les composés organiques volatiles présents dans ces deux atmosphères : une lyse oxydante des squelettes carbonés dans l'atmosphère terrestre, et une croissance organique efficace dans l'atmosphère de Titan. Sur Titan la croissance organique conduit à la formation de particules solides en suspension, créant un brouillard organique qui enveloppe l'ensemble du satellite naturel et qui constitue un matériau chimique complexe d'intérêt prébiotique. Je m'intéresse particulièrement à l'influence des espèces ionisées sur cette croissance organique et envisage de l'étudier dans le cas de la complexification chimique de l'atmosphère terrestre primitive.

La Terre s'est formée il y a 4,5 milliards d'années par accumulation de poussières, de roches et de gaz. La composition de ces matériaux primitifs est aujourd'hui enregistrée dans les météorites. Cependant, l'origine des éléments volatils présents dans l'atmosphère (e.g., H, C, N, O) reste incomprise. En combinant des approches expérimentales à l'étude d'échantillons naturels, je me suis intéressé aux objets célestes contenant les ingrédients nécessaires à la formation de l'atmosphère terrestre. Il s'agit principalement des éléments volatils contenus dans la matière organique des météorites et dans la glace des corps cométaires. Afin de reconstituer l'histoire de formation de la Terre et de son atmosphère, j'ai utilisé les gaz nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe) comme traceurs des processus physiques ayant eu lieu dans le Système Solaire jeune et sur la Terre primitive. Bien que les comètes aient significativement contribué à l'apport des gaz nobles lourds de l'atmosphère (~20%), la majorité des autres éléments volatils terrestres (incluant l'eau, le carbone et l'azote) aurait été apportée par des corps dits "chondritiques", similaires aux météorites. Une fois formée, l'atmosphère a évolué au cours des temps géologiques, conduisant à l'établissement des conditions environnementales propices au développement de la vie. Les processus majeurs ayant affecté la masse et la composition de l'atmosphère ancienne se reflètent dans l'évolution isotopique du Xe atmosphérique, de 4.5 Ga à ~2 Ga. Nous étudions la possibilité d'apporter des contraintes sur l'âge des matériaux organiques retrouvés dans les roches sédimentaires plus anciennes que 2 Ga, en utilisant la signature isotopique du Xe qu'ils ont piégé au moment de leur formation. Cette méthode pourrait avoir des implications vis-à-vis de l'âge présumé des plus anciennes traces de vie organique
The Earth formed some 4.5 Ga from the accumulation of dust, rocks and gas. The composition of these primitive materials is today recorded in meteorites. However, the origin of volatile elements within the atmosphere (e.g., H, C, N, O) remains poorly understood. By combining experimental approaches and the analysis of natural samples, I studied the composition of celestial objects comprising the ingredients required for the formation of the terrestrial atmosphere. These mainly correspond to volatile elements trapped in meteoritic organic materials and in the ice of cometary bodies. In order to better understand the timeline of Earth's formation and volatile accretion, I used noble gases (He, Ne, Ar, Kr, Xe) as tracers of the physical processes that occurred in the early Solar System and on primitive Earth. Whilst comets significantly contributed to the heavy noble gas budget of the terrestrial atmosphere (~20%), most of the other terrestrial volatile elements (including water, carbon and nitrogen) would have been supplied to Earth by chondrtitic bodies similar to meteorites. Once formed, the atmosphere evolved over geological periods of time, leading to the establishment of suitable environmental conditions for life to develop. The major processes that affected the mass and composition of the ancient atmosphere can be studied by investigating the isotopic evolution of atmospheric Xe, from 4.5 Ga to ~2 Ga. We investigate the possibility to bring constraints on the age of organic materials isolated from sedimentary ricks older than 2 Ga, using the isotopic signature of the Xe component that was trapped at the time of their formation. This method could have implications regarding the presumed age of the earliest remnants of organic life

Les anomalies magnétiques révélées par la sonde MGS témoignent du début de l'histoire de la planète Mars. Dans ce travail les mesures magnétiques de MGS sont utilisées pour étudier l'évolution précoce de la croûte et du noyau de Mars. Une méthode inverse est développée pour calculer les paramètres de sources crustales dipolaires. Des tests avec des données synthétiques et l'étude d'un cas terrestre prouvent l'efficacité de notre approche. Les anomalies magnétiques de 3 régions de Mars sont ensuite étudiées. L'intense (1 à 140 A/m) et profonde (30 à 145 km) aimantation de la lithosphère martienne est mise en évidence. Un modèle de serpentinisation de la lithosphère précoce de Mars est proposé pour expliquer ces résultats. En outre, les paléopôles dérivés des directions d'aimantation sont concentrés dans l'hémisphère nord-ouest de Mars, autour du complexe volcanique Tharsis. Celui-ci a pu jouer un rôle dans la réorientation de la planète, provoquant le mouvement apparent de ces pôles.

L’origine de la matière de la Terre primitive est un important sujet de recherche en planétologie. Cette thèse présente une étude expérimentale de la formation de composés organiques dans l’atmosphère de la Terre primitive en étudiant la réactivité de mélanges gazeux majoritairement composé de N2 et CO2. Ils présentent une importante réactivité se traduisant par la formation de produits gazeux et solides, appelés tholins. La formation de ces produits met en avant l’efficacité de CO2 comme source de carbone pour la croissance organique atmosphérique. L’identification des produits gazeux et l’analyse élémentaire des tholins ont montré qu’ils étaient constitués de C, N, H et O, soulignant un couplage efficace entre la chimie de ces éléments nécessaire à la formation de composés d’intérêts prébiotiques. Ce type d’étude a été appliqué ensuite à Titan qui a une atmophère plus réduite,faite de N2 et CH4, mais contient des traces d’espèces oxygénées, majoriatirement CO. L’ajout de CO au mélange réactif induit également un couplage entre la chimie de l’O et la chimie C, N, H considérée habituellement pour Titan. Enfin je propose et étudie expériemntalement deux phénomènes suseptibles de modifier la composition des aérosols de Titan durant leur sédimentation vers la surface. Premièrement une exposition de tholins aux photons VUV caractéristique de la thermosphère de Titan et qui induit une diminution sélective des fonctions amines en faveurs des fonctions aliphatiques. Deuxièmement une irradiation par des photons UV d’espèces condensées à la surface de tholins et qui induit une réactivité de l’espèce en interaction avec les tholins, modifiant sa composition chimique
The origin of the organic matter on the early Earth is an important subject of research in planetology. This thesis presents an experimental study of the formation of organic compounds in the atmosphere of the early Earth investigating the reactivity of gaseous mixtures majority made of N2 and CO2. They present an important reactivity highlighted by the formation of gaseous products and solid products called tholins. The formation of these products points out CO2 as an efficiency source of carbon for the organic atmospheric growth. The identification of the gaseous products and the elemental analysis of the tholins showed a composition by C, N, H and O highlighting an efficiency coupling between the chemistry of these elements necessary for the formation of prebiotic compounds. This type of study have been applied then toTitan, which have a more reduced atmosphere, made of N2 and CH4, but, which contained also oxygenated trace species: principally CO. The addition of CO in the reactive medium involves also a coupling between the chemistry of O and the C, N, H chemistry currently considered for Titan. Finally I propose and investigate experimentally two phenomena, which may involve a chemical evolution of the aerosols of Titan during their sedimentation to the surface. First, an exposition of tholins to VUV photons, characteristic of the thermosphere of Titan, involves a selective depletion of amines function in favor of aliphatic functions. Second, an irradiation by UV photons of condensed species at the surface of tholins involves a reactivity of the solid species in interaction with the tholins, changing their chemical composition

Nous avons étudié le transfert de chaleur et de matière au cours de l'histoire de la Terre primitive à de multiples échelles en utilisant des modèles numériques. Deux systèmes différents sont abordés. Tout d'abord, nous nous concentrons sur les premiers stades de la formation du noyau terrestre lorsque le fer se sépare des silicates et descend vers l'intérieur de la planète. Au cours de la différenciation, des interactions chimiques et thermiques se produisent entre les gouttes de fer dispersées dans des silicates fondus formant un océan de magma. Nous étudions le transport chimique des éléments traces à l'intérieur et autour des gouttes. Nous tirons quelques relations fonctionnelles dépendante du régime dynamique d'écoulement et montrons que le système tend à être en équilibre chimique extrêmement rapidement par rapport à l'échelle de temps de la descente de la goutte de fer. Peu de temps après la fin de l'accrétion de la Terre, la fusion extensive de son intérieur profond ainsi que la formation d'un océan de magma en surface a lieu. Comme le rayonnement de la chaleur dans l'espace est très efficace, les silicates fondus superficiels cristallisent très rapidement. L'histoire thermique de la couche liquide enterrée, appelée océan de magma basal (OMB), se déroule sur une longue période de temps et il est proposé que ses restes soient aujourd'hui observables sous forme de poches partiellement fondues au dessus de frontière noyau-manteau. Nous déterminons les paramètres régissant un système convectif dans lequel se produit une transition solide/liquide. Les lois d'échelle ainsi obtenues ont été appliquées à l'OMB et indiquent que la différence de température qui peut être maintenue dans les couches limites supérieure et inférieure de l'OMB est infime. Par conséquent, la température du noyau suit la température de liquidus à la base du manteau et ainsi la vitesse de refroidissement de l'OMB doit être la même que celle du noyau de la Terre.

L'enregistrement géologique de Mars a préservé des minéraux indicateurs d'une altération par l'eau liquide active durant plusieurs centaines de millions d'années après la formation de la planète. La reconstitution de ces processus anciens est un enjeu majeur de la planétologie, l'évolution de la Terre primitive étant inaccessible aujourd'hui en raison du renouvellement de la croûte terrestre par la tectonique des plaques, le volcanisme et l'érosion. Cette thèse apporte plusieurs contributions à la compréhension des processus d'altération sur Mars primitive à travers des expériences d'altération sous dioxyde de carbone et l'analyse de données orbitales de spectrométrie visible et proche-infrarouge. Les résultats conduisent à un modèle de formation des sulfates martiens par l'altération combinée de silicates et de sulfures de fer, qui se révèle cohérent avec l'extension spatiale et temporelle limitée des sulfates. De manière concordante, l'étude des minéraux secondaires de la dépression d'Ismenius Cavus illustre que l'altération acide à l'origine des sulfates n'a pas concerné l'ensemble de la planète. Une seconde étude orbitale focalisée sur le plateau de Nili Fossae démontre qu'au moins une partie des argiles martiennes résulte de l'altération météorique. Cette conclusion est appuyée par une expérience d'altération de l'olivine en conditions martiennes simulées confirmant que les minéraux observés dans Nili Fossae et d'autres régions martiennes sont compatibles avec une altération sous une atmosphère de dioxyde de carbone plus dense qu'aujourd'hui, assurant la stabilité de l'eau liquide à la surface de la planète.

L'origine de la matière organique insoluble des météorites et des gaz rares associés est très mal comprise. Des expériences ont été effectuées lors de cette thèse afin de mieux cerner les environnements plausibles de formation. L'adsorption physique basse pression permet de reproduire les abondances et le fractionnement élémentaire des gaz rares pour un intervalle de température de 80-100 K mais ne permet pas de rendre compte de la forte rétention des gaz rares dans la matière organique. De plus, les phénomènes d'adsoprtion n'induisent pas un fractionnement isotopique mesurable. Une expérience de solvatation sur la matière organique insoluble d'Orgueil (CI) révèle le piégeage dans le volume des gaz rares P1. Ces résultats suggèrent un piégeage d'origine mécanique de ces gaz dans la structure organique. Deux mécanismes ont ainsi été testés pour reproduire ces caractéristiques. La sublimation-condensation de matière organique sous atmosphère de xénon ionisé permet de rendre compte du fractionnement isotopique de 1 %/uma observé pour les gaz rares P1 par rapport à la composante solaire. Ces résultats démontrent la possibilité de produire les caratéristiques du pôle P1 à partir d'une nébuleuse de compositon solaire. Cependant, ce mécanisme ne permet pas de reproduire les di-radicaux observés dans la matière organique insoluble des météorites par résonance paramagnétique électronique. Ce résultat tend à favoriser une origine interstellaire de la matière organique des météorites. A ce titre, un autre mécanisme a été étudié : le changement de phase nanodiamants oignons de carbone. Les nanodiamants représentent une importante quantité du carbone interstellaire et peuvent subir une transformation en oignons de carbone sous des conditions thermiques ou d'irradiations intenses. Des expériences de chauffage de nanodiamants sous une atmosphère de xénon ont été réalisées. Elles révélent la très grande rétention thermique du xénon piégé dans la nouvelle structure avec une température maximum de relâche située à 800°C. Outre leur très grande stabilité thermique, les oignons de carbone ont été observés dans les météorites et leur lien génétique avec les nanodiamants en font un des candidats les plus sérieux au titre de porteur des gaz rares P1.

L'Archéen, de 4 à 2,5 Ga, est la période qui a connu les plus grands bouleversements géologiques et biologiques de l'histoire de la Terre : formation des continents, transition d'une tectonique à composante verticale vers une tectonique des plaques horizontale, apparition de la vie, ... Le but de cette thèse est d'étudier les conditions environnementales de la Terre à l'Archéen, par l'analyse des compositions isotopiques de métaux de transition (Fe, Zn) de roches provenant principalement de la province d'Isua au Groenland (3,8 Ga). Après avoir adapté le protocole de séparation du Fe, Cu, Zn à des échantillons riches en Fe, nous avons acquis les données par spectrométrie de masse à source plasma et à multicollection MC-ICPMS. Nous nous sommes d'abord intéressés au processus de serpentinisation de la croûte océanique, réaction produisant à la fois des nutriments pour la vie (CH 4 , H 2 ) et des minéraux catalyseurs (mackinawite) de la formation abiotique d'acides aminés, molécules du vivant. L'affleurement d'Isua comporte une unité ophiolitique présentant les serpentinites les plus anciennes (3.81-3.70 Ga) : leur analyse permet d'appréhender la réaction de serpentinisation à l'Archéen. Les résultats obtenus pour la composition isotopique du zinc dans ces roches et dans des serpentinites modernes ont permis d'établir une correspondance entre le processus de serpentinisation à Isua et la mise en place de volcans de boues de serpentinites à l'aplomb de la fosse des Mariannes. Nous avons ainsi pu identifier Isua comme une zone d'arrière-arc de subduction océanique, lieu d'une serpentinisation produisant des fluides de température variable (100-300°C) et de pH alcalin (9-12). Nous montrons que cette configuration atypique réunissant serpentinisation, fluides alcalins et édifices volcaniques est favorable à l'émergence du vivant. Nous avons ensuite analysé de nombreux échantillons de formations de fer rubané (BIFs), sédiments propres à l'Archéen et au début du Protérozoïque. L'évolution de la composition isotopique du zinc de ces échantillons au cours du temps a permis d'établir une chronologie de l'émersion des continents.Nos résultats sont en faveur d'une émersion débutant il y a 2,9 Ga. Enfin, nos données nous informent sur la colonisation des continents émergés par la vie à 2,6 Ga et sur la pédogenèse de sols archéens comportant un horizon organique.

Puisque les premières formes de vie connues à ce jour (> 3 Ga) ont été préservées grâce à la précipitation de silice sur les structures cellulaires (silicification), nous avons mené la fossilisation expérimentale de différentes souches microbiennes (les Archées Methanocaldococcus jannaschii et Pyrococcus abyssi, les Bactéries Chloroflexus aurantiacus et Geobacillus sp.), représentatives des micro-organismes thermophiles, anaérobies et autotrophes qui auraient pu exister dans les conditions environnementales de la Terre primitive ou de Mars. Il s'agit de la première fossilisation expérimentale d'Archées, et l'une des toutes premières concernant des micro-organismes thermophiles.
La fossilisation expérimentale a été suivie en microscopie électronique (MEB, MET, Cryo-MEB) pour l'étude morphologique, et par des analyses chimiques (GC, GC-MS, HPLC) pour l'étude de la dégradation ou de la préservation de la matière organique durant la fossilisation.
Cette étude a montré que tous les micro-organismes ne pouvaient pas être silicifiés. Les cellules de M. jannaschii ont ainsi lysé rapidement tandis, qu'à l'inverse, celles de P. abyssi, Geobacillus sp. et C. aurantiacus ont été préservées, avec des intensités de la fossilisation variables selon les espèces. Les micro-organismes ont souvent mis en place des mécanismes actifs pour se protéger de la silicification, comme la production d'EPS, ou la répulsion de la silice. Ces résultats suggèrent que les différences entre espèces ont une forte influence sur le potentiel des différents micro-organismes à être préservés par la fossilisation.
Cette étude fournit un bon aperçu des processus de silicification et de préservation des types de micro-organismes qui auraient pu exister sur la Terre primitive. La connaissance de ces mécanismes peut être utile pour la recherche et l'identification de microfossiles dans les roches terrestres et extraterrestres, tout particulièrement dans le cas de Mars.

Les processus internes et externes qui ont formé et structuré la croûte de la planète Mars au début de son histoire sont actuellement mal connus. Le canyon de Valles Marineris représente la plus grande coupe naturelle à la surface de Mars, où affleure la croûte moyenne et supérieure. L'étude de cette région clé a été abordée minéralogiquement et morphologiquement à partir de données hyperspectrales CRISM, et des images à haute résolution HiRISE de la mission MRO (NASA, 2006). La base du canyon est constituée de roches massives, fracturées, à fort albédo, riches en pyroxènes pauvres en calcium, pénétrées par des dikes verticaux riches en olivine. Ces roches sont interprétées comme des affleurements de croûte primitive, préservée et exposée dans son contexte originel. Les plateaux bordant le canyon sont couverts d'une formation de 100m d'épaisseur d'argiles ferromagnésiennes, recouvertes d'argiles alumineuses. Cette formation géologique visible sur plus de 106km2 traduit un niveau d'altération de la croûte sous un climat humide. Enfin, les dépôts stratifiés centraux de la région de Capri Chasma, d'épaisseur plurikilométrique, sont riches en sulfates monohydratés et polyhydratés, corrélés à des groupes de strates distincts. Ces sédiments se sont déposés durant l'Hespérien et ont ensuite été érodés par des processus fluviatiles. Ces résultats permettent de reconstituer la succession d'événements suivants : I) formation de la croûte primitive témoin d'un océan magmatique primitif, II) recouvrement de cette croûte primitive par un empilement volcanique, III) Altération de surface à grand échelle, IV) Ouverture du canyon de Valles Marineris, V) dépôts et érosion de niveaux stratifiés riches en sulfates.

L'azote (N) fait parti des éléments volatils (comme l'hydrogène et le carbone) essentiels à la vie sur Terre. Le comportement de cet élément lors des processus géologiques à haute température comme par exemple durant les processus magmatiques reste aujourd'hui très parcellaire. Cette thèse est centrée sur la solubilité, la spéciation et la diffusion de N dans les verres et silicates fondus dans le but de mieux comprendre comment cet élément se comporte lors de ces processus. La solubilité de N dans les silicates fondus a été étudiée pour différentes compositions et pour une large gamme de fO₂ (IW –8 à IW +4.1) à 1425°C et 1 atm. Les résultats montrent un effet majeur de la fO₂ et du degré de polymérisation des silicates fondus sur la solubilité de N. Ces nouvelles données suggèrent qu'un océan magmatique mafique à ultra-mafique aurait pu incorporer autant voir plus de N que ce qui est présent dans la Terre silicatée actuelle, supposant qu'une partie de N se soit échappée vers l'atmosphère ou que celle-ci est stockée dans la Terre profonde (i.e., manteau profond, noyau). Pour l'étude de la diffusion de N dans les verres et liquides silicatés, un développement expérimental et analytique a été nécessaire. Le premier coefficient de diffusion de N (sous la forme N³⁻) dans les silicates fondus, à partir de diffusion uni-axiale, a été mis en évidence pour un liquide de type basalte à andésite (i.e., 4.2 × 10⁻⁸ cm².s⁻¹). Cette étude a aussi permis de mettre en évidence l'effet de la composition du liquide sur la vitesse de diffusion de N³⁻ dans les silicates fondus. Cette dépendance à la composition des silicates fondus est plus importante pour N³⁻ que pour l'argon (Ar). Cela implique que le rapport N/Ar peut alors être fractionné lors de processus magmatiques en conditions réductrices (e.g., durant l'océan magmatique terrestre)
Nitrogen (N) belongs to the volatile elements (like hydrogen and carbon) that are essential for life on Earth. The behavior of N during high temperature geological processes, such as during magmatic processes, remains poorly understood. This study focuses on N solubility, speciation, and diffusion in silicate glasses and melts to better understand the N behavior during these processes. N solubility in silicate melts was studied for different melt compositions and for a wide range of fO₂ (IW –8 to IW +4.1) at 1425°C and 1 atm. The data obtained highlight the fundamental control of fO₂ and the degree of polymerization of the silicate melt on N solubility. These new data suggest that a mafic to ultra-mafic magma ocean could have incorporated a similar or higher amount of N compared to the actual bulk silicate Earth, suggesting that N may have been to the atmosphere and/or stored in Earth's deep interior (i.e., deep mantle, core). For the study of N diffusion in silicate glasses and melts, experimental and analytical developments were necessary. The first diffusion coefficient of N (as N³⁻) in silicate melts was determined from uni-axial diffusion experiments in a basaltic andesitic melt (4.2 × 10⁻⁸ cm².s⁻¹). The data highlight that N³⁻ diffusivity depends on melt composition. This dependence on the melt composition is more important than that of argon (Ar). Furthermore, N³⁻ diffusion is significantly slower than that of Ar in similar silicate melts, implying that N/Ar ratios can be fractionated during reducing magmatic processes (e.g., during Earth's magma ocean stage)

Un scénario couramment considéré lors de la formation des planètes telluriques est celui des océans de magma. L'énergie d’accrétion ainsi que celle dégagée par la désintégration d’éléments radioactifs de courtes périodes est en effet largement suffisante pour fondre une large portion voire l'entièreté du manteau terrestre, formant dans ce dernier cas un océan de magma global. La dépendance en pression de la température de solidification et le fort gradient du profil isentropique dans le manteau inférieur peut ammener à une cristallisation decet océan de magma global par le milieu. Ceci conduit à une situation où la partie solide du manteau primitif est encadrée par deux océans de magma globaux : un en surface, et un basal. Cette thèse se focalise sur deux aspects scientifiques d'un tel système. D'une part, les océans de magma ayant une composition similaire à celle du solide, la matière en convection dans le solide n'est pas nécessairement arrêtée à l'interface entre le solide et le liquide mais peut la traverser par fusion/cristallisation si le temps de changement de phase est court devant le temps de construction de topographie du solide au sein du liquide par force visqueuse. Une analyse de stabilité linéaire ainsi que des simulations numériques directes montrent que cette possibilité de changement de phase affecte considérablement la convection dans la partie solide. Le nombre de Rayleigh critique est abaissé, les structures convectives ont une plus grande longeur d'onde, et le flux de chaleur transporté à travers la couche solide peut être de plusieurs ordres de grandeurs plus important qu'avec des conditions aux limites classiques. Le deuxième aspect étudié durant cette thèse est celui de l'évolution à long terme du manteau primitif. En couplant le modèle de convection dans le solide avec des modèles simples d'évolution des océans de magma, nous avons construit un modèle d'évolution global du manteau primitif en suivant l'évolution thermo-compositionelle des océans de magma globaux et de la partie solide. Une analyse de stabilité linéaire montre que la convection dans la partie solide démarre avant même que l'océan de magma en surface soit entièrement cristallisé. Une simulation numérique directe préliminaire montre que la cristallisation fractionnée de l’océan de magma basal peut conduire à la formation de larges piles thermochimiques en base du manteau solide, similaires aux structures de faibles vitesses sismiques (LLSVP) observées de nos jours. La présence d'océans de magma globaux peut donc avoir d'importantes répercussions sur l'évolution à long terme de la Terre : d'une part via les structures thermiques et compositionnelles mises en place par la cristallisation fractionnée des océans et la convection dans le solide ; d'autre part, le bilan énergétique global peut être considérablement affecté par le fort flux de chaleur extrait par le manteau solide du fait des conditions de changement de phase
A common scenario considered during the formation of Earth-like bodies is that of magma oceans. Indeed, the accretion energy as well as the heat produced by the radioactive decay of short-period elements is more than enough to melt entirely the primitive mantle, thereby forming a global magma ocean. The pressure-dependence of the solidification temperature as well as the steep isentropic temperature profile at the base of the mantle could lead to a crystallization of that global magma ocean from the middle. The primitive solid mantle could therefore be bounded by two global magma oceans: one above and one below.This PhD thesis focuses on two aspects of such a system. First, the solid part of the mantle and the magma oceans being of similar composition, convecting matter in the solid is not necessarily stopped by the solid/liquid interface but could instead go through it by melting/freezing provided that the phase change timescale is short enough compared to the viscous timescale needed to build a solid topography in the liquid oceans. A linear stability analysis and direct numerical simulations show the phase change at the boundary greatly affects convection in the solid part of the mantle. The critical Rayleigh number decreases, convective patterns have a larger wavelength, and the heat flux carried through the solid increases of up to several orders of magnitude compared to cases with classical boundary conditions.The second aspect explored in this thesis is the long-term evolution of the primitive mantle. Coupling convection in the solid with simple evolution models for the magma oceans allowed us to build a global evolution model of the primitive mantle monitoring the thermo-compositional evolution of the solid mantle and magma oceans. A linear stability analysis shows convection sets in the solid before the surface magma ocean crystallizes entirely. A preliminary direct numerical simulation shows the fractional crystallization of the basal magma ocean may lead to the formation of large thermo-chemical piles at the base of the solid mantle. These piles are similar to the large low-shear velocity provinces (LLSVP) observed today.The presence of global magma oceans could therefore have important consequences on the long-term evolution of the Earth: first, fractional crystallization of the magma oceans and convection in the solid part affect the resulting thermal and compositional structures; and second, the global heat budget could be tremendously affected by the high heat flux carried out by the solid part owing to the phase change boundary conditions

Les cherts, roches siliceuses, sont souvent considérés comme des marqueurs des conditions environnementales de la Terre primitive. Ces roches sont constituées de quartz sous différentes formes dont le quartz microcristallin ou microquartz est la forme majoritaire. Le but de cette thèse est d'étudier à l'échelle micrométrique les compositions isotopiques de l'oxygène et du silicium des différentes formes de silice dans des cherts d'âges variés, allant de 3,5 à 1,9 Ga afin de mieux comprendre l'origine et le mode de formation de ces roches et d'essayer d'améliorer les reconstructions des températures océaniques du Précambrien. Les mesures isotopiques, réalisées à la sonde ionique ims 1270, ont une précision meilleure que 0,2 ‰ pour le [delta]18O et de l'ordre de 0,3 ‰ pour le [delta]30Si. Ces analyses isotopiques ont été combinées avec l'analyse des éléments traces (B, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Fe) avec la sonde ionique 3f, avec une étude pétrographique détaillée du microquartz et avec l'analyse des inclusions fluides des veines de quartz. Le résultat principal est la mise en évidence de grandes gammes de variation du [delta]18O (entre 1 ‰ et 14?‰) et du [delta]30Si (entre 2 ‰ et 5 ‰) à l'échelle micrométrique dans le microquartz. La gamme de variation du [delta]18O a pu être interprétée dans les échantillons datés de 1,9 Ga comme témoignant de l'histoire diagenètique de ces roches. Cette gamme permet, en corrigeant de l'effet de la diagenèse, de reconstruire des températures océaniques à 1,9 Ga entre 37 et 52°C, ce qui laisse suggérer un océan assez chaud au Précambrien si ces échantillons sont représentatifs de conditions globales. Dans le cas des échantillons datés à 3,5 Ga, les variations de [delta]30Si et de concentrations en éléments traces apportent des informations sur les origines variées des cherts. Enfin, l'effet des circulations fluides sur les compositions isotopiques du microquartz a été caractérisé par l'analyse isotopique du [delta]18O et du [delta]30Si et par l'étude des inclusions fluides. Il est démontré que dans certains cas le [delta]18O du microquartz peut être entièrement rééquilibré avec les fluides hydrothermaux ou métamorphiques. L'approche développée dans cette thèse devra dans le futur être appliquée systématiquement à l'étude des cherts aux fins de reconstructions paléo-environnemantales
Cherts, which are siliceous rocks, are considered as possible proxies of paleo-environmental conditions of the Early Earth. These rocks contain various forms of quartz, microquartz being the predominant one. The study of oxygen and silicon isotopic composition in the various forms of silica in cherts of different ages, from 3,5 Ga to 1,9 Ga, allowed to better understand the origin and the formation of these rocks and allowed to try to reconstruct paleo-temperatures for Precambrian seawater. Isotopic measurements were obtained with the ims 1270 multicollector ion microprobe with a precision better than 0,2 ‰ for [delta]18O and of ˜ 0,3 ‰ for [delta]30Si. These analyses were combined with the measurement of traces elements concentrations (B, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, Fe) with the ims 3f ion microprobe, with a petrographical study of microquartz and with the study of fluid inclusions in quartz veins. The major result is the existence at a micrometer scale of a large range of variations for [delta]18O (between 1 ‰ to 14?‰) and [delta]30Si (between 2‰ to 5‰). In the Gunflint cherts, the range of [delta]18O variation has been interpreted as due to diagenesis and has been used to reconstruct oceanic paleo-temperatures. The calculated temperatures range from +37°C to +52°C, suggesting an hot ocean during the Precambrian era if Gunflint cherts are representative of global environmental conditions. The [delta]30Si variations associated with that of trace elements concentrations allow to constrain the various origins of these cherts. The effect of fluid circulations on the isotopic compositions has been characterized by [delta]18O and [delta]30Si analyses and by fluid inclusions study. It is shown that in some cases the [delta]18O value of microquartz can be totally re-equilibrated with the hydrothermal or metamorphic fluids. The approach developed in this thesis will be decisive in future studies of Archean cherts for paleotemperature reconstructions

Les abondances en éléments sidérophiles du manteau terrestre indiquent une ségrégation du noyau dans un océan magmatique profond. Il est néanmoins difficile de contraindre les conditions d’oxydation prévalant lors de l’accrétion planétaire, en se basant sur les traceurs géochimiques, en raison du nombre important de paramètres qui affectent leurs partages entre métal et silicate. D’autre part, l’état d’oxydation des planètes peut évoluer au cours de l’accrétion. Par conséquent, la nature des matériaux accrétés lors de la formation des planètes reste incertaine. Afin d’apporter de nouveaux éléments de réponses à cette problématique, nous avons modélisé les équilibres chimiques ayant lieu dans la Terre primitive. Ces équilibres peuvent évoluer (i) en augmentant les conditions de pression et de température de la ségrégation du noyau lors de la croissance de la planète, (ii) en raison de la cristallisation de l’océan magmatique et (iii) à travers l’accrétion de matériaux hétérogènes de compositions et états redox différents. Nous avons exploré le rôle potentiel de l’érosion collisionnelle dans le contexte de l’accrétion de la Terre à partir de chondrites à enstatite. Pour cela, nous avons déterminé expérimentalement les compositions chimiques des liquides pseudo-eutectiques en fonction de la pression jusqu’à 25 GPa. Nous avons montré que ces premiers liquides sont très enrichis en SiO2 (jusqu’à 75 wt% SiO2) et en éléments alcalins (Na et K). Par conséquent, l’érosion collisionnelle de proto-croutes de planétésimaux formés de chondrites EH peut de manière efficace augmenter le rapport final Mg/Si du manteau terrestre et réduire ses concentrations en éléments alcalins volatils. Ce mécanisme peut donc concilier les différences compositionnelles entre la Terre et les chondrites à enstatite. Nous avons également déterminé expérimentalement le partage du soufre entre métal riche en fer et silicate. La concentration en soufre du manteau terrestre peut être expliquée par un équilibre entre manteau et noyau dans un océan magmatique profond. L’hypothèse de l’ajout de soufre dans un vernis tardif (Rose-Weston et al., 2009) n’est pas à exclure, mais il n’est pas indispensable pour atteindre la concentration en soufre du manteau. Ces résultats sont en accord avec les compositions isotopiques non chondritiques du soufre dans le manteau (Labidi et al., 2013). Le partage des éléments légers (S, Si, O) entre manteau et noyau a été modélisé à hautes pressions et températures en prenant compte de leurs interactions chimiques mutuelles et celles avec le carbone. En considérant 2 wt% S et jusqu’à 1.2 wt% C (comme il est suggéré par les études cosmochimiques), nous trouvons une solubilité de l’O comprise entre 1 et 2.4 wt%. Cette insertion de l’O dans le noyau n’est pas suffisante pour permettre à la Terre d’être à la fois accrétée de matériaux météoritiques oxydés et de posséder un noyau métallique d’une masse équivalente au tiers de la planète ainsi que 8 wt% FeO dans le manteau. Des conditions relativement réduites lors de la ségrégation du noyau sont également requises pour augmenter le taux de Si dans le noyau et expliquer le rapport Mg/Si super-chondritique de la Terre silicatée (Allègre et al., 1995; O’Neill et al. 1998). Ainsi, la Terre s’est plus probablement accrétée à partir de matériaux réduits comme les chondrites à enstatites, conduisant à un noyau constitué de 2 wt% S, 0 à 1.2 wt% C, 1 wt% O et 5.5 à 7 wt% Si. Nous avons également exploré le comportement du Fe lors de la cristallisation de la pérovskite magnésienne (le minéral le plus abondant du manteau terrestre) et son rôle sur l’état redox du manteau terrestre lors du refroidissement de l’océan magmatique. Nous avons montré que sa cristallisation induit une diminution du FeO dans le manteau solide, lors d’un équilibre avec un alliage de fer liquide à une fO2 de IW-2 en raison du caractère incompatible du Fe dans la pérovskite. (...)
Abundances of siderophile elements in the mantle indicate that the Earth’s core segregated in a deep magma ocean. Yet, it is unfortunately difficult to constrain the oxidation conditions prevailing during planetary accretion based on geochemical tracers due to the number of parameters playing a role in metalsilicate partitioning. In addition, the oxidation state of terrestrial planets can evolve during accretion. The nature of the accreted material during the formation of the terrestrial planets remains then still uncertain. Our strategy to improve our knowledge in this domain is to model the chemical equilibria taking place in the primitive Earth. The equilibria can evolve (i) as P-T conditions of core-mantle segregation increase with the size of the planet, (ii) due to crystallization of the magma ocean and (iii) with accretion of heterogeneous material of different composition and oxidation state. We explored the potential role of collisional erosion in the context of Earth’s accretion from Enstatite Chondrites. For this, we refined experimentally the chemical composition of pseudo-eutectic melts as a function of pressure up to 25 GPa. We show that the first melts are highly enriched in SiO2 (up to 75 wt% SiO2) and alkali elements (Na and K). Therefore, collisional erosion of proto-crusts on EH-planetesimals can efficiently increase their final Mg/Si ratio and decrease their alkali elements budget. It can help to reconcile compositional differences between bulk silicate Earth and Enstatite Chondrites. We performed new experiments on metal-silicate partitioning of sulphur. We show that the present-day sulphur concentration of the Earth’s mantle can be explained by core-mantle equilibration in a deep magma ocean. S-addition in a late veneer (Rose-Weston et al., 2009) cannot be excluded; however, it is not required in order to reach the S-mantel abundance. Our results are consistent with the non-chondritic S-isotopic nature of the mantle (Labidi et al., 2013). We modeled the core-mantle partitioning of the light elements (S, Si, O) at high pressures and temperatures, by taking into account of their mutual chemical interactions and that with C. With 2 wt% S in the core and a C concentration ranging 0 to 1.2 wt% (as evidenced with cosmochemical studies), we found the O solubility from 1 to 2.4 wt%. This O incorporation to the core is insufficient to both allow an Earth accretion from an oxidized meteoritic material and result in a planet composed of a core with a mass equivalent to the third of its mass and a mantle with 8 wt% FeO content. Reduced conditions during coremantle segregation are also required to enhance the Si content in the core, possibly up to 5 wt% Si, to explain the super chondritic Mg/Si of the bulk silicated Earth (Allègre et al., 1995; O’Neill et al. 1998). Altogether, we find that the Earth was most likely accreted from a reduced material, such as enstatite chondrites, leading to a core composed of 2 wt% S, 0 to 1.1 wt% C, 1 wt% O and 5.5 to 7 wt% Si. We investigated the role of Mg-perovskite (the most abundant mineral of the mantle) crystallization on the oxidation state of Earth’s mantle during cooling of the magma ocean. We show that its crystallization induces a decrease of FeO content of the solid mantle as Fe is incompatible in perovskite, when it is in equilibrium with a liquid Fe-alloy at an fO2 of IW-2. At these conditions, the Fe3+ insertion is also low and constant (Fe3+/ Fetot of 21 ±4 %). Hence, the Mg-Pv crystallization cannot be responsible for a substantial increase of the Earth’s mantle oxygen fugacity during core segregation. (...)

Dans les premiers instants de l'histoire des planètes telluriques, la chaleur d'accrétion, le chauffage radioactif et la différenciation noyau-manteau apparaissent comme des sources d'énergie capables de fondre le manteau terrestre significativement. L'évolution d'un océan de magma suite à ces évènements catastrophiques dépend des propriétés physiques des matériaux silicatés en conditions mantelliques et de la dynamique convective complexe d'un manteau en cristallisation. Actuellement, certains auteurs proposent que la structure actuelle du manteau profond pourrait être associée à des reliques de la cristallisation d'un océan de magma primitif. Nous avons développé un modèle thermodynamique capable de modéliser de façon auto cohérente des séquences de cristallisation dans les conditions du manteau profond. A partir de ce modèle, nous avons montré que le magma s'enrichit progressivement en fer au cours de la cristallisation. Le liquide résiduel devient ainsi plus dense que la phase solide. Ce modèle thermodynamique suggère un scénario de cristallisation de l'océan de magma similaire à celui proposé par (Labrosse et al., 2007). Celui-ci prédit que la structure actuelle de la base du manteau hériterait de la cristallisation d'un océan de magma primitif. Afin d'étudier l'influence de ce contraste de densité et des profils de liquidus sur la dynamique syn- cristallisation d'un océan de magma, nous avons développé un code de convection multiphasique intégrant changement phase, percolation / compaction et cristallisation fractionnée. Dans ce mémoire, nous présentons des modèles dynamiques préliminaires de cristallisation dans le cas univariant
Early in the history of terrestrial planet, heat of accreation, radioactive deacay and core-mantle segratation may have melted the silicate mantle significantly. Magma ocean evolution depends on both physical properties of materials at relevant P-T conditions and the complex dynamics of a convecting cristallizing mantle. Present deep Earth mantle structures might be direclty linked to the crystallization of a potential magma ocean. We propose a complete thermodynamic model of the solid-liquid equilibrium in the MgO-FeO-SiO2 system which allows to compute self-consistenltly crystallization sequence at deep mantle conditions. The present study shows that, at thermodynamic equilibrium, the first solids that crystallize in the deep mantle are lighter than the liquid as they are more Mg-rich. This further enriches the melt in iron and this residual melt becomes much denser than the solid phase. Both the anti-freeze effect of iron and its high density suggest a mantle crystallization scenario similar to that described in Labrosse et al. (2007) where the ULVZ are iron rich and very fusible remnants of a primordial basal magma ocean. In addition, we have developped a multiphase convection code accounting for solid-liquid phase change, compaction and fractionnal cristallization. This mechanical model is dedicated to the investigation of the effects of various temperature profile and solid liquid density cross-overs on the dynamics of a cristallizing mantle. In this thesis, we show preliminary models illustrating the effect of chemical density contrasts between melt and solid in the case of univariant crystallization

Cette thèse est consacrée à l'histoire des solides du système solaire primitif. Nous étudions la dynamique des composants chondritiques et trouvons que leur préservation pendant plusieurs Ma dans le disque protoplanétaire nécessite une zone morte. Cette dynamique est essentiellement gouvernée par un paramètre de découplage gaz-solide S que nous conjecturons avoir été <1 et >1 lors de l'accrétion des chondrites carbonées et non carbonées, respectivement. Nous étudions aussi des modèles réduits pour l'interaction entre la turbulence magnétohydrodynamique et la sédimentation de la poussière ainsi que l'instabilité d'écoulement linéaire. Nous mesurons la concentration d'éléments en trace dans les phases des chondres dans Vigarano, Renazzo, Acfer 187, Bishunpur et Sahara 97096. L'olivine dans les chondres de type I semble résulter d'une cristallisation à l'équilibre tandis que le pyroxène enregistre des taux de refroidissement rapides et est compatible avec une interaction gaz-liquide.

As the solar nebula condensed, evaporated and fractionated to form the nascent Earth, the bulk elemental composition of the Earth was established. To first order, the Earth is a devolatilized sample of the solar nebula. Similarly, rocky exoplanets are also likely devolatilized samples of the stellar nebulae out of which they and their host stars formed. If this assumption holds, we can estimate the chemical composition of rocky exoplanets by applying a devolatilization algorithm based on the elemental abundances of their host stars. This thesis is an investigation of this potentially universal devolatilization pattern, from which exoplanetary chemistry and habitability are then derived. To quantify (in broad terms) the chemical relationships between the Earth, the Sun and other bodies in the Solar System, the elemental abundances of the bulk Earth are required. The key to comparing Earth’s composition with those of other objects is to have a determination of the bulk composition with an appropriate estimate of un- certainties. We present concordance estimates (with uncertainties) of the elemental abundances of the bulk Earth, by compiling, combining, and renormalizing a large set of heterogeneous literature values of the primitive mantle and of the core. The weighting factor for the concordance estimates comes from our new estimate of the core mass fraction of the Earth: 32.5±0.3 wt% (weight percent). The uncertainties on our elemental abundances usefully calibrate the unresolved discrepancies between standard Earth models made under various geochemical and geophysical assump- tions. We then extend our assessment of terrestrial abundances to the modeling of pro- tosolar abundances based on the latest estimates of solar photospheric abundances and primitive meteoritic abundances. We compare our new protosolar abundances with our estimates of bulk Earth composition, thereby quantifying the devolatiliza- tion of the solar nebula that led to the formation of the Earth. As a function of elemental 50% condensation temperatures (TC), we fit the Earth-to-Sun abundance ratios f to the linear trend log( f ) = a log(TC ) + b. The best fit coefficients are: a = 3.676 ± 0.142 and b = 11.556 ± 0.436. The quantification of the slope a provides an empirical observation upon which modeling of the devolatilization processes can be based. These coefficients determine a critical devolatilization temperature for the Earth TD(E) = 1391 ± 15 K. The resultant devolatilization pattern allows inferences to be made concerning the depletions of elements in the early solar system and is potentially useful for estimating the chemical composition of rocky exoplanets from their known host stellar abundances. We apply the devolatilization pattern to nearby planetary systems to infer the bulk elemental composition of rocky exoplanets – particularly those within the cir- cumstellar habitable zones – from the known host stellar elemental abundances. The estimated bulk planetary composition (rather than the host stellar abundances) is then used as a principal constraint to model the interior composition and structure of such exoplanets. We apply these constraints to four planet host stars: Kepler-10, Kepler-20, Kepler-21 and Kepler-100, to model the interiors including the mantle and core compositions as well as core mass fraction for potential terrestrial exoplanets orbiting these host stars. With respect to the estimates of the interiors, we conclude that a potential terrestrial exoplanet orbiting Kepler-21 would be the most Earth-like while one orbiting Kepler-10 would be the least.

Les basaltes émis dans la Chaîne des Puys, dernière manifestation volcanique du Massif Central, ne correspondent pas à des magmas primaires. Ces derniers ne pouvant pas être identifiés à partir des laves, une approche plus directe a été utilisée, à savoir l'étude des inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes. Les compositions en éléments en traces de ces liquides primitifs inclus, de type basanite-basalte alcalin, seraient le résultat de différents degrés de fusion d'une source magmatique à amphibole résiduelle, c'est-à-dire au niveau du manteau lithosphérique métasomatisé. D'autre part, les liquides piégés dans les olivines d'enclaves mantelliques retrouvées dans un des volcans étudiés sont riches en silice et en alcalins. Ils représenteraient les premiers degrés de fusion d'une péridotite à 1 GPa; sans relation pétrogénique directe avec les liquides piégés dans les olivines magmatiques et les laves émises en surface.

La caractérisation des magmas primitifs des laves a pour objectif de mieux contraindre les conditions physico-chimiques de la fusion partielle, les modes d'extraction et de transport des magmas et la composition chimique et minéralogique du manteau terrestre. L'intérêt de l'étude des inclusions magmatiques piégées dans les phénocristaux précoces des basaltes réside dans l'isolation de ces liquides silicatés vis à vis des processus secondaires de différenciation et de mélange. Ce travail avait pour but la caractérisation des inclusions magmatiques dans des olivines primitives dans deux contextes géodynamiques distincts - les rides médio-océaniques et les points chauds océaniques – en s'articulant autour de deux exemples régionaux : la zone FAMOUS (ride médio-Atlantique Nord) et le point chaud de la Réunion.
Les inclusions magmatiques piégées dans un échantillon de la zone FAMOUS (ride médio-Atlantique Nord) se caractérisent par une variabilité importante de leurs teneurs en éléments majeurs et traces, qui excède largement la variabilité chimique des laves émises en surface dans la région. Les liquides inclus sont très primitifs (Mg# = 0.70-0.78) et présentent des similitudes de composition avec les liquides expérimentaux issus de la fusion partielle de lherzolites à spinelle à 1 GPa. Les compositions en éléments en traces évoluent depuis des compositions relativement appauvries ((La/Sm)N<0.75) jusqu'à des compositions légèrement enrichies ((La/Sm)N>1.2). Des modélisations géochimiques suggèrent qu'une grande part de la diversité chimique des inclusions résulte du processus de fusion polybare d'une source de composition homogène. Toutefois, une variation locale de la température potentielle et de la teneur en H2O du manteau semble requise pour reproduire certaines variations en éléments majeurs. Nous n'avons pas décelé de modifications chimiques des magmas liées à des interactions magma/roche (dissolution du clinopyroxène) lors de la ségrégation et l'ascension.
L'étude des inclusions magmatiques dans les olivines d'échantillons de l'île Maurice et l'île de la Réunion a mis en évidence une transition entre des liquides alcalins à transitionnels vers des basaltes à affinité tholéiitique. Cette évolution peut vraisemblablement être expliquée par une augmentation du degré de fusion d'une source péridotitique. D'autre part, la composition chimique et isotopique homogène au cours du temps du panache de la Réunion nous a autorisés à calculer la séquence d'incompatibilité des éléments traces lors du processus de fusion partielle à l'origine des liquides inclus. Les résultats indiquent un comportement très incompatible du Pb, alors que celui-ci est généralement considéré comme voisin du celui du Ce lors de la fusion dans un environnement océanique. Cette observation implique l'absence de sulfure résiduel dans la source du panache lors de l'extraction des magmas, ce qui singulariserait la source du panache de la Réunion des autres sources d'îles océaniques. Enfin, une modélisation de la source du panache suggère une composition relativement comparable à celle du manteau primitif, mais toutefois légèrement appauvrie en éléments les plus incompatibles. Ainsi, la source de la Réunion est constituée d'un manteau faiblement appauvri par l'extraction de la croûte continentale, qui, par la suite, n'a pas ou peu été modifié par les processus de différenciation ou de recyclage.

Cette thèse est focalisée sur la contribution de l'étude couplée de l'organisation multi-échelle et de la composition isotopique de C et N des carbones de météorites différenciées (acapulcoites - lodranites (A-L)), pour mieux comprendre l'histoire de leur corps-parent. Nous avons systématiquement combiné observations des carbones de ces météorites avec des analogues expérimentaux. Nous avons développé une méthodologie originale couplant l'étude de l'organisation des échelles micrométriques à nanométriques (par Microscopie Electronique par Transmission et Microspectrométrie Raman) et l'analyse isotopique des carbones (par SIMS) sur rigoureusement les mêmes plages de dimensions micrométriques. La comparaison avec les mélanges expérimentaux indique que le graphite d'Acapulco s'est formé par un mode de graphitisation "catalysée par le fer". L'absence de graphitisation des carbones de Lodran dans un environnement riche en fer et chaud est apparemment paradoxale. Toutes nos observations peuvent être réconciliées si nous considérons une collision tardive du corps-parent des A-L avec un corps chondritique apportant matière organique insoluble et chaleur d'impact. Ce scénario est conforté par les analyses isotopiques qui indiquent une formation des carbones des A-L par carbonisation d'un précurseur chondritique et une migration d'effluents carbonés au sein du corps-parent

La recherche de nouvelles formes de vie est une quête passionnante mais quidemande avant tout de comprendre l'origine de l'apparition d'une forme de vie.La seule planète qui abrite la vie à notre connaissance est la Terre. Comprendrepourquoi les autres planètes de notre système solaire n'en abrite pas ou plus estune étude nécessaire pour pouvoir mieux cibler nos cherches de nouvelles vies dansles autres systèmes stellaires. L'objectif de cette thèse est d'apporter des premierséléments de réponse à cette question. Nous nous sommes principalement concentréssur la comparaison d'évolution thermique entre Mars, la Terre et Vénus vers lafin de leur accrétion lors du refroidissement de leur océan de magma. L'évolutionthermique d'océans de magma produits par collision avec des impacteurs géantslors de l'accrétion est supposée dépendre de la composition et de la structure del'atmosphère à travers l'effet de serre du CO2 et H2O relâché par le magma durantsa cristallisation. Afin de contraindre les différentes échelles de temps de refroidissementdu système, nous avons développé un modèle 1-D de convection paramétréd'un océan de magma couplé avec un modèle atmosphérique 1-D radiatif-convectif.Nous avons conduit une étude paramétrique et décris l'influence de plusieurs variablestelles que le contenu initial en volatils, la profondeur initiale de l'océan demagma ou encore la distance planète-soleil. Nos résultats suggèrent que la présenced'une atmosphère de vapeur retarde la fin de la phase d'océan de magma d'environ1 Ma. De plus, nous observons également que la vapeur d'eau condense en un océanaprès 0.1, 1.5 et 10 Ma respectivement pour Mars, la Terre et Vénus. Ce tempsserait virtuellement infini pour une planète de la taille de la Terre située à moins de0.66 ua du soleil. Au regard de ces résultats, nous remarquons que pour la Terre etMars, les échelles de temps de formation d'un océan d'eau sont plus courtes que lagamme de temps entre chaque impacts majeurs. Ceci impliquerait que des océansd'eau successifs peuvent s'être développés durant l'accrétion. En revanche, Vénus,du fait de sa grande proximité avec le seuil de distance au soleil (0.66 ua), pourraitavoir maintenu sa phase d'océan de magma plus longtemps durant l'accrétion.Par la suite, la prise en compte de l'échappement hydrodynamique nous a permisde constater que ce phénomène a très peu d'incidence sur le réservoir global d'eaud'une planète durant la phase d'océan de magma. Cependant, on observe qu'aprèsla condensation de la vapeur d'eau, l'échappement devient de plus en plus efficaceet le réservoir d'eau fini par être totalement évaporé peu de temps avant la fin de lasolidification du manteau. Enfin, nous avons commencé à étudier l'influence d'autresgros impacts durant le refroidissement de l'océan de magma. Les premiers résultatsmontrent que dans le cas de Mars et la Terre, la durée de leur phase d'océan demagma est plus courte que la gamme de temps entre chaque impact majeur. Il en résulte que ces planètes ont dû connaitre une alternance entre phase d'océan demagma et phase d'océan d'eau. Ce phénomène n'a en revanche pas dû avoir lieusur Vénus. En effet, la durée de sa phase d'océan de magma est plus longue que lagamme de temps entre chaque impact majeur. C'est pourquoi, la phase d'océan demagma sur Vénus a dû se prolonger durant toute la phase d'impacts et qu'aucunocéan d'eau n'a pu se former avant la fin de cette période.

Les éléments volatils, principalement l'eau, sont enrichis dans les magmas d'arcs. Ils jouent un rôle prépondérant dans le magmatisme de zone de subduction, que ce soit en permettant la fusion du manteau ou en influençant l'explosivité des éruptions en surface. L'objectif de cette étude est la caractérisation (en éléments majeurs, traces, volatils et isotopes du bore) des liquides primaires des magmas d'arcs et de leurs sources, afin de discuter de l'influence des phases mobiles issues du slab dans leur genèse. L'approche adoptée est l'analyse des inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes de quatre volcans répartis dans trois zones de subduction : Vulcano, dans l'arc Eolien (Italie), le Mont Shasta, dans l'arc des Cascades (Californie, Etats-Unis), le Pichincha et le Pan de Azucar, dans l'arc Equatorien. Les inclusions primaires étudiées contiennent des liquides basaltiques sous-saturés en silice, plus ou moins riches en CaO, dérivant d'une source mantellique veinée de zones riches en amphiboles (±clinopyroxène, ±phlogopite) et ayant subi un degré variable de métasomatisme. Leurs compositions en éléments traces illustrent l'enrichissement de leurs sources mantelliques par des composés mobiles issus du slab et de compositions contrastées. Il existe d'importantes variations des compositions en éléments volatils entre les inclusions provenant de plusieurs échantillons d'un même volcan (le Mont Shasta), celles provenant de plusieurs volcans d'une même zone de subduction (le Pichincha et le Pan de Azucar) ainsi qu'entre les inclusions des trois zones de subduction étudiées (arc Eolien, arc Equatorien et arc des Cascades). L'étude de l'évolution des teneurs en éléments volatils en fonction des pressions de saturation indique que seules les teneurs en Cl et F des inclusions magmatiques sont représentatives des teneurs du magma primitif. Le dégazage précoce et la formation de globules de sulfure affectent les teneurs en H2O, CO2 et S, qui peuvent être utilisées en tant qu'estimations minimales des teneurs des magmas primitifs. Les compositions en Cl des sources mantelliques des inclusions étudiées varient de 3±1 ppm à 450±125 ppm et celles en F varient de 16±6 ppm à 147±32 ppm (Cl/F de 0,2±0,1 à 3,6±1,2). L'association des rapports Cl/F des sources avec l'enrichissement en Nb (par rapport aux MORB) des inclusions et leurs valeurs isotopiques en bore suggère la participation de deux principaux composés mobiles dans la source de ces inclusions : (1) un liquide silicaté issu de la fusion des sédiments déshydratés (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pan de Azucar, qui possèdent des faibles δ11B ainsi qu'un fort enrichissement en Nb par rapport aux MORB) ; (2) un fluide aqueux formé lors de la déshydratation de la croûte océanique (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pichincha). Selon les propriétés physico-chimiques des différentes zones de subduction, ce fluide peut avoir les caractéristiques d'un fluide supercritique et être plus ou moins riche en éléments traces. Les compositions des inclusions de la Sommata (Italie) et de l'échantillon 95-15 du Mont Shasta montrent des enrichissements intermédiaires de leurs sources comparé à celles des inclusions du Pichincha et du Pan de Azucar. Leurs sources semblent avoir été métasomatisées par un mélange entre les deux composés métasomatiques décrits ci-dessus.

Depuis une vingtaine d'années, la connaissance de la variabilité chimique et pétrographique des laves formées en contexte d'accrétion océanique (MORB) s'est considérablement approfondie. Il est ainsi apparu que le manteau supérieur sub-océanique est beaucoup plus hétérogène que ne le laissait penser la relative homogénéité chimique des MORB. Ainsi, le manteau contient une fraction significative de pyroxénites qui pourraient jouer un rôle important dans la production des basaltes. De même, l'importance des interactions entre les magmas en cours d'ascension et leur encaissant péridotitique a longtemps été sous-estimée. Le transport des magmas basaltiques dans des chenaux dunitiques de haute perméabilité formés par la focalisation des magmas en profondeur est le mécanisme généralement proposé sous les rides médio-océaniques, mais l'ampleur des transformations chimiques subies par les magmas au cours ce processus est encore peu connue. J'ai réalisé des expériences en piston-cylindre entre 0.5 et 2.5 GPa pour caractériser les relations de fusion et les compositions de liquide de trois pyroxénites et pour quantifier les effets des interactions magma/péridotite. La technique d'extraction des liquides par microdike a été utilisée pour obtenir des analyses de verre fiables même à de très faibles degrés de fusion. L'objectif était d'apporter des réponses à trois problèmes importants de la pétrogenèse des MORB : Quel est le rôle des pyroxénites sur la composition en éléments majeurs des MORB ? Quel est le sort des liquides pyroxénitiques durant leur passage à travers le manteau péridotitique ? Quelles sont les transformations induites par la focalisation des magmas et les interactions magma/roche sur la composition chimique des liquides et sur la chimie et la minéralogie de l'encaissant péridotitique ? Les données acquises au cours de cette thèse constituent une base de données importante sur les relations de fusion des pyroxénites et sur les compositions des liquides issus des pyroxénites, en particulier les compositions aux faibles degrés de fusion. Les expériences de fusion partielle menées sur trois pyroxénites représentatives de la variabilité compositionnelle mondiale montrent que, à 1 et 1.5 GPa, la plupart des liquides issus des pyroxénites présentent des compositions en éléments majeurs très similaires à celles des liquides péridotitiques. Ces liquides sont susceptibles de remonter à la surface en interagissant peu ou pas avec le manteau environnant. A plus haute pression, les interactions entre les liquides issus des pyroxénites et le manteau péridotitique subsolidus aboutissent au contraire à une consommation substantielle des liquides et à une forte cristallisation de clinopyroxènes susceptibles d'isoler les pyroxénites de leur encaissant et de créer de nouvelles hétérogénéités lithologiques dans le manteau supérieur. Par conséquent, la fusion partielle des pyroxénites peut avoir des effets significatifs sur la composition minéralogique et chimique du manteau et sur les dynamiques d'extraction et de transport des magmas. Au contraire, dans la plupart des cas, la contribution de liquides issus des pyroxénites n'entraîne pas de changement majeur dans les compositions des magmas basaltiques primitifs. Plus rarement, les pyroxénites produisent des liquides anormalement pauvres en silice et riches en fer dont on retrouve peut-être la signature dans une classe de MORB primitifs avec FeO > 8.5 % et SiO2 < 48.7 % pds. Enfin, les expériences simulant le processus de focalisation des magmas sous les rides médioocéaniques confirment que la focalisation peut expliquer à la fois la formation de chenaux dunitiques et la composition des MORB primitif, en particulier leur sous-saturation en orthopyroxènes.

J'ai réalisé des expériences en piston-cylindre entre 0. 5 et 2. 5 GPa pour caractériser les relations de fusion et les compositions de liquide de trois pyroxénites et quantifier les effets des interactions magma/péridotite. La technique d'extraction des liquides par microdike a été utilisée pour l'analyse des verres. L'objectif était de contraindre : le rôle des pyroxénites sur la composition en éléments majeurs des MORB ; le sort des liquides pyroxénitiques durant leur passage à travers le manteau péridotitique ; les transformations induites par la focalisation des magmas sur les liquides et l'encaissant péridotitique. Les données acquises constituent une base importante sur les relations de fusion des pyroxénites, en particulier aux faibles degrés de fusion. Les expériences de fusion partielle menées sur trois pyroxénites représentatives de la variabilité compositionnelle mondiale montrent que la fusion partielle des pyroxénites peut avoir des effets significatifs sur la composition minéralogique et chimique du manteau et sur l'extraction et le transport des magmas. Au contraire, dans la plupart des cas, la contribution des liquides issus des pyroxénites n'entraîne pas de changement majeur dans les compositions des magmas basaltiques primitifs. Plus rarement, les pyroxénites produisent des liquides anormalement pauvres en silice et riches en fer et dont on retrouve peut-être la signature dans une classe de MORB primitifs (FeO>8. 5%-SiO2<48. 7% pds). Enfin, les expériences simulant le processus de focalisation des magmas confirment que ce dernier peut expliquer à la fois la formation de chenaux dunitiques et la sous-saturation en orthopyroxéne des MORB

This thesis draws on David Harvey’s concept of “accumulation by dispossession” and an international political economy (IPE) approach centred on the institutional arrangements and power structures that privilege certain actors and values, in order to critique current capitalist practices of primitive accumulation by the global corporate extractive industry. The thesis examines how accumulation by dispossession by the global extractive industry is facilitated by the “free entry” or “free mining” principle. It does so by focusing on Canada as a leader in the global extractive industry and the spread of this country’s mining laws to other countries – in other words, the transnationalisation of norms in the global extractive industry – so as to maintain a consistent and familiar operating environment for Canadian extractive companies. The transnationalisation of norms is further promoted by key international institutions such as the World Bank, which is also the world’s largest development lender and also plays a key role in shaping the regulations that govern natural resource extraction. The thesis briefly investigates some Canadian examples of resource extraction projects, in order to demonstrate the weaknesses of Canadian mining laws, particularly the lack of protection of landowners’ rights under the free entry system and the subsequent need for “free, prior and informed consent” (FPIC). The thesis also considers some of the challenges to the adoption and implementation of the right to FPIC. These challenges include embedded institutional structures like the free entry mining system, international political economy (IPE) as shaped by international institutions and powerful corporations, as well as concerns regarding ‘local’ power structures or the legitimacy of representatives of communities affected by extractive projects. The thesis concludes that in order for Canada to be truly recognized as a leader in the global extractive industry, it must establish legal norms domestically to ensure that Canadian mining companies and residents can be held accountable when there is evidence of environmental and/or human rights violations associated with the activities of Canadian mining companies abroad. The thesis also concludes that Canada needs to address underlying structural issues such as the free entry mining system and implement FPIC, in order to curb “accumulation by dispossession” by the extractive industry, both domestically and abroad.