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Séminaires externes 2017-2018

Les séminaires déjà présentés cette année

Jeudi 30 novembre 2017 à 13h 30  : Vincent Clési, LMV Clermont-ferrand Partage métal-silicate de l’hydrogène à haute pression-haute température : implications sur les concentrations en hydrogène des noyaux planétaires

L’accrétion des planètes telluriques à partir de matériaux primitifs et la différenciation formant un noyau et un manteau sont des questions fondamentales pour comprendre le système solaire interne. De nombreuses questions portant sur les processus permettant l’accrétion et la différenciation ne sont toujours pas résolues. Par exemple, en quoi la présence d’eau pendant la ségrégation noyau-manteau pourrait affecter les modèles d’accrétion planétaires ? De fait, de récentes études géodynamiques et géochimiques/cosmochimiques suggèrent une accrétion des éléments volatils à partir de planétésimaux hydratés lors de la ségrégation du noyau [Morbidelli et al., 2000, Marty, 2012, O’Brien et al., 2014, Sarafin et al, 2014]. Les études portant sur le partage métal-silicate en milieu hydraté sont jusqu’à présent limitées à des pressions inférieures à 1 GPa [Righter and Drake1999, Jana and Walker, 1999], soit largement en-dessous des conditions P-T prévalant lors de la formation des noyaux terrestre et martien. Dans notre étude, nous avons menés des expériences sur une presse multi-enclume, afin de couvrir une large gamme de conditions P-T (5 à 20 GPa et 2000 à 2500 K), de conditions redox (logfo2 variant de -5 à -1 par rapport au tampon IW) et de concentrations en eau (de 500 ppm à 1,5 % poids). Les résultats de ces expériences montrent qu’à l’exception du fer, l’eau diluée dans un océan magmatique primordial n’a pas d’effet sur le coefficient de partage métal-silicate des éléments sidérophiles. Ces résultats nous amènent à construire des modèles d’accrétion de Mars et de la Terre, basés sur l’évolution de l’état d’oxydation des manteaux planétaires. Ces modèles nous permettent de proposer un maximum pour les concentrations primordiales en eau sur Terre et sur Mars. De plus, ces expériences nous ont permis de ré-évaluer le partage de l’hydrogène entre métal et silicate liquide à haute pression. En effet, les études expérimentalement s’intéressant à ce sujet sont pour la plupart peu réalistes en termes de conditions de formation du noyau : soit des partages entre liquides silicaté et métal solide [Iizuka-oku et al., 2017], entre silicate solide et métal liquide [Shibazaki et al., 2009] ou partage liquide/liquide en système saturé en eau [Okuchi, 1997]. Du fait de fugacité d’hydrogènes plus faibles dans nos expériences, nous avons pu déterminer des coefficients de partage de l’hydrogène dans des conditions plus réalistes de la formation du noyau de la Terre ou de Mars. Nos expériences montrent que l’hydrogène se comporte comme un élément lithophile, y compris à haute pression, et que les concentrations en hydrogène des noyaux primitifs des planètes telluriques sont probablement très faibles (<100 ppm).

Jeudi 14 décembre 2017 à 13h30 : Pierre Condamine (Bayerisches Geoinstitut, Bayreuth) Rôle des éléments volatils sur la formation de magmas riches en potassium

Des liquides riches en K2O sont observés dans la majeure partie des contextes géodynamiques sur Terre. Ces liquides sont principalement caractérisés par leurs teneurs en K2O variant entre 3 et 13 pds. % et des rapports K2O/Na2O de 1 – 40. Les compositions chimiques des différents groupes de liquides riches en K2O observés sont extrêmement variables, depuis des termes très sous-saturés en silice (kamafugites, kimberlites, lamproïtes madupitiques à olivine) à des termes sur-saturés en silice (shoshonites, lamproïtes à phlogopite). Ces fortes teneurs en K2O et les rapports K2O/Na2O élevés ne peuvent pas être obtenus par la fusion de péridotites fertiles ou réfractaires. Des expériences de fusion partielle en piston-cylindre et presse multi-enclumes ont été réalisées sur des péridotites à phlogopite ± amphibole dans les domaines de stabilité du spinelle et du grenat (1 – 8 GPa) afin de déterminer la capacité du manteau terrestre à produire des liquides riches en K2O. La présence de faibles teneurs en fluor dans le matériel de départ stabilise le phlogopite à des températures supérieures aux études antérieures. Les faibles degrés de fusion obtenus à 1 GPa sont sur-saturés en silice et leur teneur en K2O est tamponnée à 4 – 6 pds. % par la présence de phlogopite résiduel pour des péridotites fertile et réfractaire, respectivement. Les expériences réalisées à 3 GPa montrent que les premiers degrés de fusion sont sous-saturés en silice mais plus riches en K2O (6 – 8 pds. % pour la lherzolite et la harzburgite, respectivement) que dans le domaine du spinelle, démontrant l’importance de la pression sur la genèse de liquides riches en K2O. Les modélisations réalisées montrent également que l’augmentation de la proportion de phlogopite dans la source ne modifie pas la teneur en K2O des liquides formés mais diminue leurs rapports K2O/Na2O. Par conséquent, la fusion de péridotite à phlogopite dans la gamme de pression étudiée ne permet pas d’obtenir des liquides aussi riches en K2O que certains lamproïtes et kamafugites. Une série d’expériences réalisée sur du phlogopite pur à 1 et 3 GPa montrent que les liquides dérivés de telles sources sont très riches en K2O (12 – 14 pds. %) et comparables aux lamproïtes. Les différentes lithologies étudiées expérimentalement ne permettent cependant pas d’expliquer la grande gamme de composition des liquides riches en K2O et nécessitent des conditions riches en éléments volatils (H2O, CO2, F) et des fugacités d’oxygène réductrices.

Jeudi 11 janvier 2018 à 13h30 : Nicolas Coltice (Laboratoire de Géologie de Lyon) Existe-t-il un chemin au delà de la tectonique des plaques ?

La tectonique des plaques est une théorie exceptionnelle, mais elle a ses limites. Par exemple, elle est incapable de définir et quantifier les forces qui mettent en mouvement les roches, et lorsque la déformation est diffuse (chaînes de montagnes, rifts, limites diffuses de plaques), elle reste presque inopérante. Aujourd’hui, il existe des modèles dynamiques qui pourraient combler ces manques, et permettre d’éclaircir des points clés de la dynamique du manteau et de la lithosphère. Je présenterai leur fonctionnement, comment ils permettent d’appréhender des liens entre convection du manteau et dynamique lithosphérique, et les promesses qu’ils portent pour établir un nouveau type de reconstructions de la tectonique passée sur Terre.

Mercredi 17 janvier 2018 à 13h30 : Mathieu Roy-Barman (LSCE / UVSQ) Chronométrer les cycles biogéochimiques en Méditerranée grâce aux séries radioactives de l’uranium

La Mer Méditerranée est sous forte pression anthropique et particulièrement sensible au changement climatique. Dans ce contexte, il est important de déterminer les flux de matière (carbone, éléments nutritifs, polluants) sous forme dissoute et particulaire ainsi que leur variabilité. Au-delà de ces enjeux, la Méditerranée est aussi un « vrai » bassin océanique avec une circulation thermo-haline active, des apports continentaux intenses, une activité biologique fortement couplée à la physique. Enfin, pour le géochimiste, il est facile de faire des bilans en mesurant les flux au niveau des détroits.

Présent en concentration constante dans l’eau de mer, l’uranium produit une kyrielle de radioéléments au long de ses 2 chaines de désintégrations. Parmi, eux 230Th (T1/2 = 75 ka) et 231Pa (T1/2 = 32 ka) ont pour particularité d’être insolubles. Produits en solutions par désintégration de 234U et 235U, ils sont rapidement fixés sur les particules marines dont ils deviennent alors les chronomètres. 230Th, qui est très insoluble, permet ainsi d’évaluer l’efficacité des « pièges à particules » qui sont utilisés pour évaluer le flux de carbone particulaire exporté vers le fond. 230Th permet également de déterminer la vitesse moyenne de chute des particules en suspension dans la colonne d’eau, mais les résultats obtenus sont sensibles aux courants profonds qui sont négligés dans le modèle simple de production-fixation sur les particules. Les résultats obtenus le long de la section GEOTRACES GA04S permettent de préciser le rôle des courants dans la distribution de 230Th et 231Pa. Moins insoluble que 230Th, 231Pa est plus sensible au transport par les courants profond ce qui entraine un découplage de leurs profils en fonction du temps écoulé depuis les épisodes de convection. Un bilan au détroit de Gibraltar implique que l’essentiel du 230Th et 231Pa produit en Méditerranée sédimente localement. Ceci conduit à une réévaluation des vitesses de chute des particules en suspension et met l’accent sur l’élimination préférentielle des éléments insolubles sur les marges continentales qui est plus difficile à quantifier dans un océan ouvert.

Jeudi 18 janvier 2018 à 13h30 : Séminaire OTELo Séminaire de début d’année

Jeudi 15 février 2018 à 13h30 : Paulo Sossi (IPG Paris) Evaporation of moderately volatile elements from silicate melts : experiments and theory

Vaporisation of silicate melts and subsequent separation of the vapour phase from its residue is commonplace in high temperature processes, and plays an important role in determining the chemical composition of igneous rocks and planetary bodies. Moderately volatile elements (MVEs) are ideal tracers for vapour loss, owing to their balanced partitioning between the vapour and the condensed phase, which changes according to thermodynamic variables, pressure, temperature, composition and oxygen fugacity (fO2). However, our understanding of the conditions at which volatile loss occurs are hindered by a lack of experimental data relevant to the vaporisation of MVEs from silicate melts. In order to quantify MVE volatility from natural silicate liquids, we performed a series of experiments in 1 atm CO-CO2 gas-mixing furnaces at oxygen fugacities (fO2), bracketing those of magmatic rocks, from logfO2 = -10 (IW) to -0.7 (air). Time- and temperature series were conducted for 15 to 930 minutes and 1300-1550°C, above the liquidus for a synthetic ferro-basalt in the FCMAS system, to which 15 MVEs, each at 1000 ppm, were added. Refractory elements (e.g., Ca, Sc, V, Zr, REE) are retained in the melt under all conditions. The MVEs show highly redox-dependent volatility, where the extent of volatile loss as a function of fO2 depends on the stoichiometry of the evaporation reaction, generally MxOx/2 = Mx+nO(x+n)/2 + n/4O2. Where n is positive (as in most cases), the speciation of the element in the gas is more reduced than in the liquid, meaning lower oxygen fugacity promotes evaporation. Elemental volatility is fit as a function of time, T and fO2 using Hertz-Knudsen- Langmuir theory to derive enthalpies and entropies of vaporisation. Gibbs Free Energies allow calculation of relative vapour pressures, (pM1/pM2), and evaporation temperatures which may be used to fingerprint the T-fO2 conditions of evaporation from measured MVE abundances in silicate melts.

Mardi 20 février 2018 à 13h30 : Julien Bouchez (IPG Paris) Large river sediments as messengers of Earth surface processes

Rock weathering leads to a partitioning of chemical elements and their isotopes between dissolved species and residual solids. The latter accumulate to form the soils that mantle most of the continental surfaces. Upon erosion, these solids are delivered to rivers, which thus carry in their sediment information about rates and processes of chemical weathering and landscape formation at the catchment scale. In particular, we will show how the isotopes of strontium, lithium, and silicon, when considered across the full range of grain sizes of sediment transported by large rivers, provide insight into : the source of river particulates ; the processes affecting them during their journey through the Earth surface ; the dynamics of continental erosion and weathering.

Jeudi 22 mars 2018 à 13h30 : Martin Bizzarro (Centre for Star and Planet Formation, University of Copenhagen) Evidence for extremely rapid magma ocean crystallization and crust formation on Mars

The formation of a primordial crust is a critical step in the evolution of terrestrial planets but the timing of this process is poorly understood. The mineral zircon is a powerful tool for constraining crust formation as it can be accurately dated with the U-Pb system and is resistant to subsequent alteration. Moreover, the high concentration of Hf in zircon allows for the utilization of the 176Lu-176Hf decay system to determine the nature and formation timescale of its source reservoir. Ancient igneous zircons with ages of 4430 Ma have been reported in martian meteorites believed to represent regolith breccias from the southern highlands of Mars. These zircons are present in evolved lithologies interpreted to reflect re-melted primary martian crust thereby potentially providing unique insights into early crustal evolution on Mars. Here, we report concomitant high-precision U-Pb ages and Hf-isotope compositions of ancient zircons from the NWA 7034 martian regolith breccia. Seven zircons with mostly concordant U-Pb ages define 207Pb/206Pb dates ranging from 4476.3±0.9 Ma to 4429.7±1.0 Ma, including the oldest directly dated material from Mars. All zircons record unradiogenic initial Hf-isotope compositions inherited from an enriched, andesitic-like crust extracted from a primitive mantle no later than 4547 Ma. Thus, a primordial crust existed on Mars by this time and survived for 100 Myr before it was reworked, possibly by impacts, to produce magmas from which the zircons crystallized. Given that formation of a stable primordial crust is the end product of planetary differentiation, our data require that the accretion, core formation and magma ocean crystallization on Mars was completed <20 Myr after Solar System formation. These timescales support models suggesting rapid magma ocean crystallization leading to a gravitationally unstable stratified mantle, which subsequently overturns resulting in decompression melting of rising cumulates and extraction of a primordial basaltic to andesitic crust.

Jeudi 29 mars 2018 à 13h30 : Claudio Rosenberg (iSTeP, UPMC Paris) Relation entre raccourcissement, érosion, exhumation et largeur de la Chaîne Alpine, au cours de la collision.

Erosion exerts a major control on the structural evolution of collision wedges. One aspect that has often been investigated in models and natural case studies is the effect of erosion on the width of orogens. The higher the efficiency of erosion and the smaller the width of the wedge, hence of the orogen. The Alps are a well suited natural laboratory to assess such relationships during their collisional history. Calculating and compiling the amount of collisional shortening along 6 distinct orogen-scale cross sections shows that the partitioning of shortening between upper and lower plates varies along-strike in the Central and in the Eastern Alps. We investigate the relationship between the width of the thickened accreted lower plate in relation to the inferred amount of collisional shortening and exhumation. Assuming that the present-day, along-strike increase in the amount of collisional shortening represents the structural evolution that affected the collisional wedge through time, it may be concluded that the cross-sectional area of the accreted lower plate diminishes during ongoing shortening, indicating that the erosional flux outpaced the accretionary flux. Higher amounts of collisional shortening systematically coincide with smaller widths of the accreted lower plate and dramatic increases of the reconstructed eroded rock column. Higher amounts of shortening also coincide with larger amplitudes of orogen-scale upright folds, with larger amounts of exhumation and with larger exhumation rates. These relationships suggest that erosion did play a major role in reducing by >30 km the thickness of the orogenic wedge, thus allowing for the long-term localization of shortening and its accommodation by upright orogen-scale folds. Long-term climate differences cannot explain the observed, alternating changes of width by a factor of almost 2 along straight segments of the orogen, on length-scales of less than 200 km. Sedimentary or paleontological evidences supporting such paleo-climatic differences are lacking, suggesting that erosion was the not the major factor controlling the width of the orogen.

Jeudi 5 avril 2018 à 13h30 : Cornellis Dullemond (université d’Heidelberg) Formation of chondrules and transport of particles in protoplanetary disks

The formation of chondrules and the transport of chondritic material in the protosolar nebula remain major open questions. I will discuss both these topics in my talk. On the first topic I will discuss my work on chondrule formation in impact splashes. Using numerical simulations of a ballistically expanding cloud of hot lava droplets, I found that impact splashes are a natural way to explain the high densities needed during chondrule formation to keep the volatile elements such as Na and K inside chondrules. On the second topic I will discuss some of the latest findings on particle transport in protoplanetary disks obtained from recent spectacular observations of protoplanetary disks with the ALMA telescope array. These observations show that these disks consist of dust rings, and that these rings indicate (a) low turbulent mixing and (b) strong trapping of dust particles. These findings appear to be in agreement with the low degree of mixing found from the meteoritic record in our own solar system.



publié jeudi 13 septembre 2012