Une approche multi-isotope de la structure du disque protoplanétaire et du transfert de poussières entre ses réservoirs

Offre de thèse

Date limite de candidature

02-05-2025

Date de début de contrat

01-10-2025

Directeur de thèse

MARROCCHI Yves

Encadrement

Encadrement partagé entre les deux co-encadrants. Suivi de la formation et de l'avancement des recherches via des discussions régulières et des réunions de travail.

Type de contrat

Enseignement supérieur

Candidater à cette offre

école doctorale

SIReNa - SCIENCE ET INGENIERIE DES RESSOURCES NATURELLES

équipe

Formation du Système Solaire et des Planètes

contexte

Les météorites sont des restes de matériaux qui n'ont pas été accrétés lors de la formation des planètes et qui conservent donc des traces des premiers stades de l'évolution du disque protoplanétaire. Pour étudier la formation et l'évolution du disque, les variations isotopiques dans les matériaux extraterrestres sont des outils cruciaux, en particulier : (i) les variations dépendant de la masse, qui permettent de suivre des processus tels que la condensation ou l'évaporation, et (ii) les anomalies de nucléosynthèse, qui agissent comme des empreintes digitales de divers matériaux dans le système solaire, étant spécifiques à chaque corps planétaire et non affectées par le fractionnement dépendant de la masse. Ce dernier a révélé une dichotomie chimique et isotopique fondamentale entre (i) les météorites non carbonées pauvres en volatils (NC), qui proviennent du système solaire interne, et (ii) les météorites carbonées riches en volatils (CC), qui se sont formées dans le système solaire externe. La barrière séparant le système solaire interne du système solaire externe a été attribuée à la formation précoce du noyau de Jupiter (Kruijer et al. 2017), à un maximum de pression de longue durée (Brasser & Mojzsis 2020) et/ou à l'évolution des lignes de glace et de silicate dans le disque (Lichtenberg et al. 2021 ; Morbidelli et al. 2022). La nature de la barrière NC/C est débattue, tout comme sa perméabilité, et les déductions actuelles vont d'une barrière dure avec un afflux minimal de matériaux du système solaire externe dans le disque interne (Burkhardt et al., 2021), à une barrière molle permettant à de grandes quantités de poussières du système solaire externe de pénétrer dans le disque interne (Schiller et al. 2020 ; Johansen et al., 2021 ; Liu et al., 2022). Le système solaire interne étant le siège des planètes terrestres, les incertitudes sur la perméabilité de la barrière NC/C ont un impact direct sur notre compréhension de la formation des planètes terrestres. Bien que la Terre et Mars se situent dans le champ NC dans les diagrammes combinant deux anomalies nucléosynthétiques, la contribution du matériau CC au budget des planètes reste très discutée. Cette incertitude a conduit à deux scénarios concurrents pour expliquer l'abondance des éléments volatils dans les planètes terrestres : 1- Les planètes terrestres se sont accrétées à partir de matériaux pauvres en éléments volatils dans le système solaire interne, les éléments volatils étant incorporés plus tard dans leur histoire à partir de matériaux CC riches en éléments volatils formés au-delà de l'orbite actuelle de Jupiter. 2- D'autres études suggèrent que les planètes se sont accrétées à partir de matériaux du système solaire interne modérément enrichis en éléments volatils, Jupiter agissant comme une barrière et empêchant l'accrétion de matériaux du système solaire externe.

spécialité

Géosciences

laboratoire

CRPG - Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques

Mots clés

météorites, isotopes, chondres, système solaire

Détail de l'offre

L'analyse isotopique des météorites primitives a révélé l'existence d'une dichotomie entre les météorites non carbonées (NC), issues du Système solaire interne, et les météorites carbonées (CC), provenant du Système solaire externe. Cette séparation en deux réservoirs est attribuée à la formation rapide de Jupiter, à la présence d'une barrière de pression dans le disque ou l'évolution des lignes de glace et de silicate. Cependant, le degré de perméabilité de cette barrière reste incertain, impactant notre compréhension de l'accrétion des planètes terrestres. Deux scénarios expliquent l'apport en volatils : une accrétion initiale pauvre suivie d'un enrichissement tardif ou une accrétion à partir de matériaux internes déjà modérément enrichis.

Ce projet de doctorat vise à explorer la structure du disque protoplanétaire et l'origine des éléments volatils en étudiant :

1- Les anomalies nucléosynthétiques du zinc : L'analyse des isotopes du zinc dans diverses météorites (aubrites, angrites, chondrites ordinaires et carbonées) aidera à estimer la proportion de matériaux CC ayant contribué à la formation de la Terre, Mars et Vesta.

2- Les chondres dans les chondrites NC : Les petits chondres NC présentent une composition isotopique en oxygène proche de ceux des CC, suggérant un éventuel transfert de poussières entre les deux réservoirs. L'étude isotopique de chondres de différentes tailles permettra d'évaluer ce phénomène.

Les échantillons sont disponibles au CRPG, et les analyses seront réalisées via la purification des éléments d'intérêt (Zn, Ti, Cr) et des mesures isotopiques avec des spectromètres spécialisés. Ce projet apportera de nouvelles perspectives sur l'accrétion planétaire et l'échange de matériaux dans le Système solaire.

Keywords

meteorites, isotopes, chondrules, solar system

Subject details

Meteorites, remnants of primordial protoplanetary disk material, provide insights into its evolution. Isotopic analyses reveal processes such as condensation, evaporation, and nucleosynthetic anomalies unique to planetary bodies. A key finding is the dichotomy between volatile-poor, non-carbonaceous (NC) meteorites from the inner Solar System and volatile-rich, carbonaceous (CC) meteorites from the outer Solar System. This separation is attributed to Jupiter's early formation, a persistent pressure barrier, or evolving ice and silicate lines in the disk. The permeability of this NC/CC barrier remains debated. Some studies suggest strict separation, while others propose significant dust transfer from the outer to the inner Solar System. This uncertainty affects models of terrestrial planet formation, including Earth and Mars. Two scenarios explain volatile enrichment: - Initial accretion from volatile-poor materials, followed by later enrichment from CC materials beyond Jupiter. - Accretion from inner Solar System materials already moderately enriched in volatiles, with Jupiter limiting CC material inflow. This PhD project aims to refine our understanding of the early protoplanetary disk, volatile element accretion, and NC/CC barrier permeability through two approaches: - Zinc Nucleosynthetic Anomalies: Earth's Zn isotopic composition suggests a ~5% CC contribution, similar to Mars (4-6%), while Vesta appears NC. This study will analyze Zn isotopic anomalies in aubrites (potential Mercury analogs), angrites, metamorphosed ordinary chondrites, and CR carbonaceous chondrites to assess planetary building materials and volatile distribution. - Chondrule Size Analysis in NC Chondrites: Chondrules—silicate-rich spheroids with metal, sulfides, and volatile-rich mesostasis—offer clues about dust exchange. Small NC chondrules (<300 µm) exhibit oxygen isotopic similarities to CC chondrules. This study will analyze the O, Cr, and Ti isotopic compositions of chondrules of varying sizes to assess whether small chondrules originated from the outer Solar System or formed in an evolving inner disk. Samples and Analytical Methods : CRPG provides access to required samples (ordinary/enstatite chondrites, aubrites, angrites). Additional angrites and Martian meteorites are being sourced from museums. Analyses will involve element purification (Zn, Ti, Cr) in a clean lab (IRISS) and isotopic measurements using Neoma (CC-MC-ICP-MS) and Triton (TIMS) mass spectrometers. This research will enhance our understanding of planetary accretion and material exchange between the inner and outer Solar System.

Profil du candidat

connaissance des processus d'attaques acides
connaissances des météorites
connaissances de mesures isotopiques par TIMS & MC-ICPMS
connaissances en géochimie isotopique

Candidate profile

knowledge of acid attack processes
knowledge of meteorites
knowledge of isotopic measurements by TIMS & MC-ICPMS
knowledge of isotopic geochemistry

Référence biblio

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