Actualités Sujets de M2 2019-2020

Sujets de M2 2019-2020

Sujet n°1 : Ségrégation chimique lors de la cristallisation de l’océan magmatique : une approche par modélisation numérique

Encadrant : Denis Andrault (Denis.Andrault@uca.fr)

Co-encadrants : Julien Monteux, Gabriel Tobie (Université de Nantes)

Les conditions d’accrétion de notre planète et des autres planètes telluriques sont de mieux en mieux contraintes. Concernant la Terre, une majorité des briques élémentaires avait une composition chimique proche de celle des chondrites à enstatite. Aussi, les derniers impacts ont impliqué des planétésimaux de grande taille, entrainant la fusion quasi-intégrale de la planète, comme l’impact géant qui a conduit à la formation de la Lune. La ségrégation du noyau et les premiers stades de refroidissement de l’océan magmatique sont aussi relativement bien contraints. Mais il reste une incertitude majeure sur les hétérogénéités chimiques potentiellement induites par les mécanismes de solidification du manteau. L’apparition de telles hétérogénéités pourrait avoir joué un rôle majeur non seulement sur la dynamique interne au cours des deux premiers milliards d’années de l’histoire de la Terre, mais aussi dans l’établissement de la tectonique des plaques, les processus à l’origine des panaches profonds, etc. Nous nous proposons donc d’évaluer les chances de ségrégation chimique au cours de la solidification de l’océan magmatique, sur Terre ainsi que dans d’autres contextes planétaires (avec différentes tailles de planète, vitesses de refroidissement à la surface, distances au Soleil, etc.).

Le stage sera basé sur une approche de modélisation numérique, en prenant soin toutefois d’y intégrer au mieux les nouvelles contraintes expérimentales sur -la viscosité des magmas, -les diagrammes de fusion, -la différence de densité entre les phases solide et liquide. Implicitement, il s’agira de déterminer quelle force l’emporte entre la gravité (produisant la sédimentation ou la remontée des liquides) et la turbulence de la convection, en fonction de la profondeur dans le manteau et du degré de solidification. Ainsi, nous pourrons déterminer l’amplitude du fractionnement chimique, en fonction d’un certain nombre de paramètres variables comme l’opacité de l’atmosphère primitive aux rayonnements thermiques, la température initiale de la planète, etc.

Les questions majeures sont donc :

•          A quel point la cristallisation de l’océan magmatique a-t-elle induit des fractionnements chimiques entre différents réservoirs mantelliques très tôt dans l’histoire de la Terre ?

•          Quels types d’enrichissement chimique peut-on attendre, soit dans le manteau juste au-dessus du noyau, soit dans la proto-croute, sur la base des équilibres solide-liquide tels qu’ils sont contraints aujourd’hui ?

Dans la pratique, il s’agira d’implémenter des fonctionnalités propres aux fractionnements chimiques basées sur notre connaissance des diagrammes de fusion (ex. (Andrault et al. 2017)) dans un code numérique utilisé quotidiennement au LMV (Monteux et al. 2016). Différents scénarios de refroidissement planétaire seront testés pour mieux comprendre comment les paramètres de l’accrétion primordiale peuvent contrôler l’évolution de la dynamique planétaire à l’échelle des temps géologiques.

Références:

Andrault D et al. (2017) Toward a coherent model for the melting behavior of the deep Earth’s mantle Phys Earth Planet Inter 265:67-81 doi:10.1016/j.pepi.2017.02.009.

Monteux J, Andrault D, Samuel H (2016) On the cooling of a deep terrestrial magma ocean Earth Planet Sci Lett 448:140-149.

Sujet n°2 : Etude de l’impact du soufre sur le comportement élémentaire et isotopique du chrome

Encadrant : Pierre Bonnand (pierre.bonnand@uca.fr)

Co-encadrant : Ali Bouhifd 

L’étude des isotopes stables du chrome est un nouvel outil géochimique permettant d’étudier des processus tels que la fusion partielle ou la cristallisation fractionnée. Il a récemment été proposé que les sulfures jouent un rôle majeur dans les variations dépendantes de la masse des isotopes stables du chrome dans les domaines haute température. En effet, la cristallisation de sulfures semble contrôler la composition isotopique du liquide métallique lors de la différentiation planétaire (Bonnand and Halliday 2018). De plus, les variations isotopiques mesurées dans les chondrites à enstatite semblent être fortement influencées par la présence de troïlite (FeS) (Jerram et al, in prep). Il n’existe aucune donnée expérimentale sur le fractionnement de ces minéraux. Ce projet propose de combler cette lacune et de mieux comprendre les fractionnements isotopiques de chrome à haute température.

Ce projet propose d’étudier les fractionnements à l’équilibre entre un liquide silicaté, un liquide métallique (Fe) et un liquide sulfuré (FeS). Les expériences seront conduites en piston cylindre à 2 GPa et 1500 °C. Ces résultats permettront (1) de mieux comprendre le partage du chrome entre les phases silicaté, métallique et sulfuré, (2) de déterminer les fractionnements isotopiques à l’équilibre entre ces trois phases ; (3) de confirmer les calculs de fractionnements théoriques et (4) de préciser l’impact du soufre sur l’évolution isotopique des grands réservoirs planétaires. 

Il s’agit d’un projet alliant la pétrologie expérimentale et la géochimie isotopique qui nécessitera une grande rigueur analytique. Les expériences au piston-cylindre ainsi que les analyses isotopiques seront réalisées pendant ce stage. Les résultats obtenus permettront une meilleure compréhension du comportement des isotopes stables du Cr à haute température en présence de soufre. 

Méthodes utilisées: Réalisation d’expériences de pétrologie expérimentale en piston-cylindre, Travail en salle blanche (séparations chimiques), analyses sur ICPMS et TIMS.

Références:

Bonnand P. and Halliday A.N. (2018) Oxidised conditions in iron meteorites parent bodies. Nature Geoscience volume 11, 401-404.

Jerram M., Bonnand P. and Halliday A.N. The chromium isotopic composition of enstatite chondrites. In prep. 

Sujet n°3 : Etude géochimique et isotopique du système Montcineyre-Estivadoux-Montchal-Pavin

Encadrant : Danielle Briot (d.briot@opgc.fr)

Co-encadrants : Catherine Deniel – Pierre Boivin – Jean-Claude Thouret

Situé à près de 30 km au sud de la Chaîne des Puys, au sud de l’ensemble Monts-Dore-Sancy, le système Montcineyre-Estivadoux-Montchal-Pavin représente la plus récente activité volcanique en Auvergne avec des âges 14C compris entre 7130+/-290 ans pour le Montcineyre et 673+/-170 ans pour le maar du Lac Pavin. Malgré l’intérêt que représente une bonne connaissance des dernières éruptions volcaniques dans la région, hormis les travaux déjà anciens de Bourdier (1980), il n’existe que peu ou pas d’étude pétro-géochimique et isotopique détaillée sur cet ensemble de volcans permettant de mieux comprendre le fonctionnement de ce système magmatique (a priori assez simple) et du (ou des réservoirs) qui l’alimente(ent).

Une étude préliminaire de géochimie des éléments en traces entreprise récemment dans le cadre d’un ouvrage consacré au Lac Pavin (Villemant et al., 2016) a permis de proposer les hypothèses suivantes :

-L’évolution des compositions est très similaire à celle des magmas de la Chaîne des Puys avec cependant deux différences, l’une concernant la composition plus primitive du magma de départ (la lave du Montcineyre, étude en cours D.Briot), l’autre le caractère globalement plus potassique de la série de différenciation (de basanite à benmoréite/trachyte) ;

-La géochimie des éléments en traces suggère que les deux séries de magmas évoluant par un processus de cristallisation fractionnée se distinguent l’une de l’autre par le pourcentage et la précocité du fractionnement d’amphibole impliqué pour produire des benmoréites ;

-Enfin, bien qu’aucune interaction entre le magma benmoréitique du Pavin et l’encaissant n’ait été mise en évidence par l’étude des produits pyroclastiques, certains éléments en traces et quelques rapports isotopiques de Sr (Bourdier, 1980) n’excluent pas la possibilité de l’intervention d’un processus de type AFC dans la genèse des magmas.

Parmi ces différentes hypothèses émises par Villemant et al. (2016), c’est plus particulièrement la dernière qu’il conviendra de tester au cours de ce projet de recherche de M2. En amont de l’étude géochimique, le travail pratique inclura une phase de terrain pour prendre connaissance des différents affleurements et réaliser un échantillonnage adapté. Les échantillons récoltés devront faire l’objet d’une étude pétrologique permettant de caractériser les minéraux présents dans les différents magmas et leur « qualité » pour une étude géochimique.

La part la plus importante du projet (période de stage proprement dite) consistera en (1) la caractérisation isotopique (Sr, Nd, Pb, O) des échantillons préparés précédemment, en utilisant soit la spectrométrie de masse sur roche totale ou minéraux séparés après attaque chimique en salle blanche, soit éventuellement l’ablation laser sur minéraux ; (2) la modélisation des processus responsables de la genèse de ces laves impliquant les données géochimiques des éléments en traces et des isotopes.

Sujet n°4 : Origine de la forte variabilité des compositions isotopiques de Ce dans les MORBs

Encadrant : Régis Doucelance (r.doucelance@opgc.fr)

Co-encadrants : Pierre Bonnand – Maud Boyet

Les basaltes de dorsales médio-océaniques (MORB) présentent des compositions isotopiques (Sr, Nd, Pb) relativement homogènes au regard des variations affichées par les basaltes d’îles océaniques (OIB). Ceci est généralement interprété comme reflétant, d’une part, l’homogénéisation par brassage mécanique du manteau supérieur source des MORB, et d’autre part, la grande variété des matériaux (croûte océanique, sédiments, lithosphère sous-continentale) recyclés au sein de la source profonde des OIB.

Les rapports 138Ce/142Ce des MORB (l’isotope de masse 138 du cérium provient de la désintégration radioactive de l’isotope de masse 138 du lanthane ; demi-vie 292,5 Gans) montrent « étonnamment » des variations de l’ordre de celles enregistrées dans les OIB, dont l’origine n’est pas encore identifiée. Aussi, nous nous proposons d’étudier une petite portion de dorsale médio-Atlantique (zone FAMOUS), pour laquelle nous disposons d’un échantillonnage relativement fin (un échantillon tous les 50 km environ, sur 1000 km de dorsale, documentés pour les isotopes du Nd et du Pb, mais pas du Ce), localisée au sud de l’archipel des Açores. Notre but est d’une part d’identifier et de quantifier l’effet de la segmentation des dorsales (échantillons plus ou moins proches d’une transformante) et d’autre part de tester l’interaction « plume-ride » entre la dorsale FAMOUS et le panache des Açores. Pour cela, nous mesurerons également la composition isotopique de Ce des échantillons des Açores présentant des compositions extrêmes pour Nd et Pb (échantillons disponibles au laboratoire). A terme, il s’agit de vérifier si ces divers mécanismes peuvent expliquer tout ou partie de la variabilité des MORB pour les isotopes du cérium. 

Le stage comportera une partie analytique forte, basée sur la mesure d’une quarantaine d’échantillons (standards roche, MORB et OIB) pour la systématique La-Ce : préparation des échantillons, séparations chimiques et analyses par spectrométrie de masse à thermo-ionisation.

Sujet n°5 : Processes and timescales of crystal residence prior to a small-volume historical eruption of Santorini Volcano, Greece

Encadrant : Tim Druitt (Tim.Druitt@uca.fr)

Recent work at Santorini caldera has revealed a story of the processes and timescales of construction of upper crustal magma chambers prior to large (Plinian) caldera-forming eruptions. The silicic melts erupted during such events are generated in the middle to lower crust, where they are incubated over many thousands of years. Then, starting a few centuries prior to eruption, the melts are believed to be transferred upwards to the upper crust in high-flux events where they amalgamate to form a magma chamber near the top of the sub-caldera pluton. During ascent, decompression and cooling, the melts grow crystals that are preserved as phenocrysts in the subsequently erupted magmas. The upper crustal magma chamber is then discharged shortly afterwards. This work has contributed to a new paradigm in igneous petrology: that large magma chambers are transient features generated on geologically short timescales. It is speculated that these melt transfer events take place when the sub-caldera pluton becomes unstable and compacts under gravity, squeezing the melts upwards.

            This story is based on very detailed petrological studies on two caldera-forming eruptions of Santorini. Our aim now is to study whether the much smaller silicic eruptions that take place during inter-plinian periods at Santorini are preceded by similar, or different processes. We will use the technique of ‘element diffusion chronometry’ to estimate the timescales of phenocryst residence prior to eruption, and to use the compositions and zoning patterns of the phenocrysts to determine why and how the crystals grew. We will start by using Mg-Fe diffusion in opx and cpx, a technique that we have already mastered in detail. The project will focus on using this technique on pumices from a historical (AD 726) sub-plinian eruption of the present-day intracaldera Kameni Volcano, for which we have samples. We may also try using the same technique on pyroxenes in some plutonic nodules from Santorini in order to compare and contrast crystal residence timescales from volcanic and plutonic products, and hence to better understand the meaning of diffusion timescales.

            The research will be carried out in collaboration with Dr. Ciara Petrone, expert in diffusion modelling in pyroxenes at the Natural History Museum in London. The student will be part of a large ANR project involving scientists from Paris, Nancy and Clermont.

Skills acquisition. The successful candidate will use the electron microprobe to measure gradients in Mg-Fe across zone boundaries in opx and cpx, and will learn how to model the production of those diffusion gradients and calculate crystal residence timescales using existing software.  He/she will also study the textural contexts of the pyroxenes, whether they occur individually or in crystal clusters, with implications for the crystal origins. Depending on the time available, he/she may also extend the study to using Mg diffusion profiles in plagioclase.

Sujet n°6 : Etude de la formation des deux grands types de granitoïdes constituant le socle du craton archéen du Dharwar Ouest (Inde)

Encadrant : Martin Guitreau (martin.guitreau@uca.fr)

Co-encadrant : Hervé Martin

La majorité des cratons archéens est constituée de trois lithologies majeures :1) des granitoïdes appelés TTG (tonalite-trondhjémite-granodiorite), 2) des séquences volcaniques et sédimentaires, appelées ceintures de roches vertes, et 3) des plutons granitiques tardifs correspondant aux roches appelées sanukitoïdes (Moyen et Martin, 2012 ; Anhaueusser, 2014 ; Laurent et al., 2014). L’association des deux premières lithologies rythme la croissance d’un craton, tandis que la dernière signe généralement l’assemblage et la stabilisation de celui-ci. Si, dans la plupart des cratons, les TTG sont les constituants majoritaires du socle, ce n’est pas le cas pour le craton du Dharwar Ouest qui contient deux types de granitoïdes, localement appelés Gneiss Péninsulaires (Jayananda et al., 2018). Le premier type possède des spectres de Terres Rares fractionnés tout à fait caractéristiques des TTG (La/Yb élevé et teneur en Yb faible). Le second type, quant à lui, s’il possède bien la même minéralogie et la même composition chimique en éléments majeurs que les TTG, il affiche des spectres de terres rares peu fractionnés. 

Classiquement, les spectres de Terres Rares fractionnés sont interprétés comme reflétant la présence de grenat dans le résidu de fusion partielle de la source des TTG (Moyen et Martin, 2012), l’absence de fractionnement indiquant alors l’absence de grenat résiduel. Par conséquent, les deux types de granites mis en place dans le craton du Dharwar Ouest, peuvent dériver soit de sources différentes, soit d’une même source mais ayant subi une fusion partielle à des pressions contrastées (forte pour expliquer la stabilité du grenat et faible pour rendre compte de son absence). Comprendre la formation contemporaine de ces deux types de granitoïdes apportera des informations fondamentales permettant de contraindre les modalités de formation et de croissance des cratons archéens. 

Une étude récente (Deng et al., accepté) montre que les isotopes du Si permettent de différencier les TTG des autres grands groupes de granitoïdes. L’objectif de ce travail consistera à étudier les deux types de granitoïde du craton du Dharwar Ouest afin de documenter et interpréter leurs caractéristiques géochimiques et isotopiques en Si et ainsi comprendre leur pétrogenèse.

Méthodes utilisées: ce travail impliquera des analyses isotopiques in-situ (LA-MC-ICP-MS) pour les isotopes du silicium. Une caractérisation et une modélisation des signatures en éléments majeurs et en traces des granitoïdes du Dharwar Ouest sera effectuée, ainsi que des recherches bibliographiques.

Références:

Anhaueusser, 2014. Archean greenstone belts and associated granitic rocks – A review. Journal of African Earth Sciences 100, 684-732.

Deng et al., accepté à Nature Geoscience. An oceanic subduction origin for Archean granitoids as revealed by silicon isotopes

Jayananda et al., 2018. Formation of Archean (3600–2500 Ma) continental crust in the Dharwar Craton, southern India. Earth Science Reviews 181, 12-42.

Laurent et al., 2014. The diversity and evolution of late-Archean granitoids: Evidence for the onset of “modern-style” plate tectonics between 3.0 and 2.5 Ga. Lithos 205, 208-235.

Moyen et Martin, 2012. Forty years of TTG research. Lithos 148, 312-336.

Sujet n°7 : Insight into the transport and emplacement mechanisms of the 1600 CE Huaynaputina eruption (Peru) pyroclastic current deposits through textural and petrological studies

Encadrant : Lucia Gurioli (lucia.gurioli@uca.fr)

Co-encadrants : Sylvain Charbonnier (University of South Florida) – Jean-Claude Thouret

The approach involves integration of macroscopic analysis of particles from pyroclastic current (PC) deposits from the large VEI 6 Huaynaputina eruption (1600 CE, south Peru), which presents a wide range of facies for a succession of this type of PC deposits: valley-confined, veneer/overbank, surges, and co-ignimbrite ash. Analyses will include (but not limited to): (i) componentry (juvenile versus non-juvenile particles), (ii) size particle distribution, (iii) bulk particle texture of pumices (density, porosity, connectivity and permeability), (iv) microscopic texture of pumices (vesicle size distribution and crystal size distribution), and (v) petro-chemical analyses (bulk rock, glass and mineral compositions). This can be completed on samples collected from tephra deposits, and will provide information related both to the dynamics of the eruption, the condition of the magma at the fragmentation level, and/or in the shallow reservoirs, and the degassing history of the ascending magma. In turn, such analytical work on the PDC deposits will contribute to understand the transport and emplacement mechanisms related to these very dangerous phenomenologies that occurred during one of the most intense stage of the 1600 CE eruption (i.e. the ignimbritic stage) and to understand their impact on a populated area. This project will be conducted in collaboration with Dr Sylvain Charbonnier, University of South Florida, and Prof. (emeritus) Jean-Claude Thouret, LMV. It is also part of the Huayruro project led by the LMV-IRD partner INGEMMET-OVI in Arequipa and funded by Fondecyt-Ciencia Activa in Peru until 2021.

Méthodes utilisées: Geopyc, Helium pycnometer, Permeameter, Morphology G3, Microscopie électronique à balayage, analyse d’image pour la quantification du pourcentage, taille et distribution pour les cristaux et vésicules, microanalyse (microsonde électronique), chimie totale, chimie in situ du verre et cristaux, spectrométrie Raman.

Sujet n°8 : Détermination expérimentale des coefficients de partages de U-Th-Pb dans le contexte du recyclage des plaques océaniques

Encadrant : Tahar Hammouda (T.Hammouda@opgc.univ-bpclermont.fr)

Co-encadrant : Régis Doucelance

La modélisation du recyclage des éléments U-Th-Pb passe par une connaissance précise de leurs coefficients de partage entre minéraux et liquides magmatiques. Bien que ces trois éléments jouent un rôle fondamental (1) pour la compréhension du fonctionnement des zones de subduction via les fractionnements instantanés U/Pb et Th/Pb et (2) pour la connaissance de l’hétérogénéité du manteau à grande échelle via les rapport isotopique du Pb (dont la composition isotopique résulte pour partie des fractionnements U/Pb et Th/Pb intégrés dans le temps), la connaissance précise des coefficients de partage de ces éléments fait toujours défaut, à ce jour. Nous avons étudié la littérature en pétrologie expérimentale et nous avons identifié les faiblesses des études précédentes. Le but de ce projet est d’y remédier par une approche mieux contrôlée. Cette approche sera appliqué à des modèles de liquides issus de la plaque subductée, et en particulier aux cas où du CO2 est impliqué dans la fusion, afin de déterminer les coefficients de partage pour U, Th et Pb entre minéraux silicatés (pyroxènes, grenats, amphiboles) et liquides carbo-silicatés. À terme, ce projet vise à évaluer l’effet de la présence de carbone sur l’ampleur de la perte en plomb dans les zones de subduction et son effet sur le traçage isotopique de la convection dans le manteau.

Méthodes: pétrologie expérimentale en presse multi-enclumes ; caractérisation des produits expérimentaux par microscopie électronique à balayage (textures), microsonde électronique (analyse en éléments majeurs) et ICP-MS couplé à l’ablation laser pour les éléments en traces.

Sujet n°9 : A global inventory for hydrothermal system heat losses using satellite infrared data

Encadrant : Andrew Harris (andrew.harris@uca.fr)

Currently the global inventory for hydrothermal system heat losses stands at 24 different systems.  This inventory is based on punctual, literature-based measurements of area and magnitude of the system thermal anomaly made since the 1960s with different methods of questionable reliability.  It also considers a very small fraction of the large number of hydrothermal systems active on the planet.  Today, using high-spatial resolution sensors operating in the thermal infrared (and whose data are easily and freely accessible) it is relatively trivial to build an inventory that is extensive, consistent, coherent and of known precision.  This project will thus build this inventory (for dry fumarolic systems and wet Crater Lake systems alike) using images for all known active hydrothermal systems worldwide, and compare the results with current (and past) assessments of global heat losses due to volcanic activity.

Méthodes utilisées: multi-platform satellite-sensor infrared data, image processing, ground-truthing (using thermocouple and thermal camera measurements), data processing (for heat flux modeling), bibliographic collation (to build the historic data base).

Sujet n°10 : Kinetic processes of subduction zone sulfur cycle

Encadrant : Ken Koga (Ken.Koga@uca.fr)

Sulfur compounds are the third most abundant oxide compound found in the volcanic gas, after hydrogen and carbon. Given its relatively high abundance in magmatic environment (up to thousands of ppm by weight in magma) compared to that of in the air (typically 1 to 10 ppb by volume), sulfur compound is thought to be good tracer of magmatic high-temperature degassing process. Naturally, there have been extensive number of research that describes the chemical reactions and thermodynamics of the sulfur in magma and high temperature gases.

I have currently three on-going research projects focusing on understanding kinetic processes associated with S in magma, and the magma source. A student on this research topic will choose one research goal depending on his/her interests and strengths. For example, one research topic focuses on kinetic responses of sulfur compounds in magma and gas, using a 1-atm furnace. Because magma ascent and degassing process are highly disequilibrium process, it is critical to identify processes that hinder an attainment of equlibrium. It would require detailed laboratory investigation simulating the degassing process, to understand the rates and mechanisms of sulfur exchange in such dynamic environment

In this internship, the candidate is expected to explore parameters that impose dynamic chemical reactions, for example cooling rate and surrounding chemical environment. I am looking for a student who are interested in laboratory experiments in Earth Science, and with solid backgrounds in chemistry and basic data reduction (using a software for data regression). Solid comprehension of diffusion and kinetic processes is a great plus to complete the project. 

Méthodes utilisées : 1-atm furnace, electron microprobe, SEM, LA-ICPMS

Sujet n°11 : Caractérisation des péridotites remontées par les éruptions kimberlitiques

Encadrant : Bertrand Moine (bertrand.moine@univ-st-etienne.fr)

Co-encadrants : Ken Koga, Nathalie Bolfan-Casanova, Jean-Emmanuel Martelat, Jérôme Bascou

Parmi les péridotites remontées en surface par les éruptions kimberlitiques au sein des cratons, il se distingue un groupe de péridotites relativement fertiles et fortement déformées. Les estimations Pression-Température des ces objets mettent en évidence qu’elles ne proviennent pas de la racine cratonique réfractaire mais très probablement d’asthénosphère convective sous-jacente et caractérisant ainsi la limite lithosphère-asthénosphère (LAB –LVZ ?). Ces péridotites ont été partiellement caractérisées pour leurs microstructures et montrent différents types de fabriques cristallographiques. Le but de ce travail est de compléter l’étude microstructurale et de caractériser géochimiquement ces péridotites et en particulier de mesurer les concentrations en H2O (FTIR et Sonde Ionique) qui semble jouer un rôle déterminant sur la viscosité et les mécanismes de déformation de l’olivine. Ce travail pourra être complété par une modélisation de propriétés sismiques de ces péridotites.

Sujet n°12 : Le comportement des Volatils (C, H, N et S) durant les impacts lors de la formation des planètes 

Encadrant : Julien Monteux (julien.monteux@uca.fr)

Co-encadrant : Ali Bouhifd

Dans ce projet nous proposons d’étudier l’évolution de la composition chimique du manteau terrestre lors d’un impact avec un planétésimal : tous les modèles s’accordent à dire que la Lune est le résultat d’un impact géant entre la proto-Terre et un objet de la taille de Mars. De plus, les modèles dynamiques d’accrétion montrent que les impacts impliquant des planétésimaux avec des rayons supérieurs à 100 km étaient fréquents lors des 100 premiers millions d’années de l’évolution du Système Solaire. Ce projet offre donc une possibilité unique d’étudier les propriétés physico-chimiques de la Terre primitive pendant et juste après un impact avec un planétésimal ou une autre proto-planète, en se focalisant tout particulièrement sur le comportement des éléments volatils (C, H, N et S) avec pour but majeur de déterminer les rapports chimiques C/H, C/N et C/S dans le manteau primitif. Les simulations numériques se feront en utilisant un code de calcul (hydrocode iSALE) (Si une connaissance approfondie en programmation informatique n’est pas requise pour démarrer ce projet, le/la candidat(e) devra cependant montrer un intérêt pour la modélisation numérique). 

Figure montrant l’évolution temporelle (de haut en bas) du champ de composition (gauche) et du champ de pression (droite)  à l’intérieur d’une planète différentiée de la taille de Mars après un impact avec un bolide de 200 km de diamètre à 10 km/s. Ces résultats ont été obtenus par modélisation hydrocode iSALE (Monteux and Arkani-Hamed, Icarus, 2019). Cette figure met en évidence la propagation de l’onde de choc à l’intérieur de la planète depuis le point d’impact jusqu’au noyau.

Récemment, nous avons attribué l’appauvrissement de l’azote dans le manteau terrestre à sa séquestration dans le noyau (Roskosz et al., 2013). Il serait donc intéressant de pourvoir discuter des rapports C/H, N/H, ou C/N à la lumière de ce nouveau projet. Par exemple, le rapport (H/C)BSE de la Terre silicatée serait de 0.99±0.42 bien supérieure à celui des chondrites (au maximum les chondrites ont un rapport de 0.55). Cette différence peut être la conséquence d’une séquestration plus importante du C dans le noyau en comparaison à celle de l’hydrogène, ou bien à un dégazage préférentiel du CO2 par rapport à H2O lors de l’impact géant qui a formé la lune. Les modélisations que nous proposons dans ce projet vont nous permettre de discuter quantitativement les différents modèles et de proposer/renforcer le ou les modèles cohérents et qui sont en accord avec les expériences et les données géochimiques.

Figure montrant l’évolution temporelle (de haut en bas) du champ de composition (gauche) et du champ de pression (droite)  à l’intérieur d’une planète différentiée de la taille de Mars après un impact avec un bolide de 200 km de diamètre à 10 km/s. Ces résultats ont été obtenus par modélisation hydrocode iSALE (Monteux and Arkani-Hamed, Icarus, 2019). Cette figure met en évidence la propagation de l’onde de choc à l’intérieur de la planète depuis le point d’impact jusqu’au noyau.

Références

Monteux J. and Arkani-Hamed J. (2019) Shock wave propagation in layered planetary interiors: Revisited. Icarus 331, 238-256.

Roskosz M., Bouhifd M.A., Jephcoat A.P., Marty B. and Mysen B.O. (2013) Nitrogen solubility in molten metal and silicate at high pressure and temperature. Geochim. Cosmochim. Acta 121, 15-28.

Sujet n°13 : Etude expérimentale des tsunamis générés par les écoulements pyroclastiques

Encadrant : Raphaël Paris (Raphael.Paris@uca.fr)

Co-encadrant :Olivier Roche

Les écoulements pyroclastiques sont susceptibles de générer des tsunamis, mais leur dynamique de mise en place dans l’eau et les paramètres contrôlant la génération de vagues sont encore mal compris. En l’état des connaissances actuelles, l’approche par modélisation numérique ne permet pas d’appréhender les différents processus physiques liés aux interactions entre l’écoulement pyroclastique, l’air et l’eau. Ce stage propose une approche expérimentale du problème. L’écoulement pyroclastique est assimilé à un écoulement granulaire fluidisé. Ce mélange gaz-particule est stocké dans un réservoir, puis relâché dans un chenal d’eau de 7 m de long équipé de caméras haute vitesse pour suivre la formation et la propagation de la vague. Les expériences consistent à caractériser l’influence de paramètres tels que la vitesse/hauteur, la densité, la température de l’écoulement, la distribution de taille des particules, et la hauteur d’eau dans le chenal. Les résultats seront confrontés à des cas historiques connus, tels que les éruptions de Montserrat (1997, 2003) et du Krakatau (1883).

Méthodes utilisées: chenal expérimental à tsunami, capteurs acoustiques (mesures de concentration), caméras vidéo haute-vitesse.

Sujet n°14 : Etude expérimentale des mélanges gaz-particules turbulents et implications pour les écoulements volcaniques

Encadrant : Olivier Roche (Olivier.Roche@uca.fr)

Co-encadrant : Siet van den Wildenberg

Le comportement des écoulements turbulents de gaz et de particules solides produits lors des éruptions volcaniques sous la forme de panaches éruptifs ou de déferlantes pyroclastiques dépend notamment de la concentration en particules. Identifier les paramètres qui contrôlent cette concentration est essentiel pour mieux comprendre la dynamique de ces écoulements. Le problème sera étudié par l’intermédiaire d’expériences de laboratoire qui consisteront à générer des suspensions air-particules turbulentes. Il s’agira de documenter le comportement des suspensions à partir d’analyses de vidéos haute-vitesse et de mesurer la concentration en particules à l’aide de capteurs. Les mécanismes de formation d’amas plus denses en particules seront étudiés en faisant varier les dimensions du dispositif expérimental ainsi que la taille et la densité des particules. Les expériences seront d’abord menées avec des mélanges monodisperses (une taille de particule) puis avec des systèmes bidisperses afin d’étudier l’effet des particules les plus grandes sur la formation et la destruction des amas denses.

Méthodes utilisées: Expériences de suspensions turbulentes, capteurs de pression, capteurs acoustiques, caméra vidéo haute-vitesse.

Sujet n°15 : Characterisation and Geoheritage of Natural Risk on Fault Escarpments

Encadrant : Benjamin van Wyk de Vries (ben.vanwyk@uca.fr)

Co-encadrant : David Karatson (Eötvös, Budapest)

Large fault escarpments in rifts can reach over 1,000 m in hight, and the topography produced can pose serious risks, other than the obvious seismic one. The escarpments are much steeper normally than the angle of stability of the rocks and they erode, and produce landslides, channelling floods. Their steepness and fractured nature means they do not hold water, and thus tend to be dry, leading to dessication and fire risk. Volcanoes are often clustered near faults and the interaction with lava flows and other volcanic flows is an additional complication, while tephra fall can increase the instability of slopes. Faults hold springs at their base, formed from large water reservoirs important for the environment below, a significant resource at risk from fault multi-risk activity. The multi risk scenarios of fault scarps have not been closely studied due, probably, to a lack of appreciation of this tectonic – geomorphologic feature in the landscape. Such scarps are often forgotten landscapes, but for scientific study, but also administratively and culturally. The recent inscription of the Limagne Fault on the world Heritage list of UNESCO has raised the profile of fault escarpments, and the comparative analysis published at UNESCO has identified many rift faults of high scenic quality, non of which to our knowledge have multi-risk assessments. This project will start by the detailed analysis of a number of fault escarpments, with a geomorphological and morphometric analysis, in parallel with a more detailed geosite analysis as done for the UNESCO nomination. The objective is to give a combined scientific analysis of fault escarpment morphology, parametrisation of the hazard features, while providing a geoheritage analysis that can be used to raise awareness of faults and the risk posed. Specific work will be done of the Limagne fault, where increased environmental risks have been identified due to a combination of geologic factors, climate change and the ageing of forestry planted to stop flooding. In addition, other fault scarps in Nicaragua (Mateare), Ethiopia (Danakil), Peru (Andahua) and the Philippines (Central Valley Fault) will be studied with existing information and remote sensing. The project would form part of the UNESCO Geosciences program ‘Geoheritage for Geohazard Resilience’. While the project would be conducted largely in English, a French language report would be made for the Limagne for integration with local initiatives. The work is a joint programme between Eötvös University and UCA.

Methods: geological/geomorphological field mapping for hazards and risk, geoheritage field analysis, geographical information systems, communication techniques, multi-disciplinary interaction with socio-economic actors.

Sujet n°16 : Comportement du sélénium et du tellure dans le magmatisme d’arc (Equateur)

Encadrant : Ivan Vlastélic (Ivan.VLASTELIC@uca.fr)

Co-encadrant : Pablo Samaniego

Les zones de subduction sont de véritables usines chimiques redistribuant les éléments entre le manteau, la croute continentale, et l’atmosphère. Elles jouent un rôle majeur sur les flux géochimiques globaux et la différentiation des grands réservoirs terrestres. Il existe cependant des incertitudes importantes sur la libération des éléments par la plaque océanique entrant en subduction, et les processus de genèse et d’évolution des magmas d’arc.

Le comportement du soufre est au centre de cette problématique car il détermine le transfert de nombreux éléments dits « chalcophiles », leur stockage dans la croute sous forme de dépôts métallifères et leur dégazage par les volcans. L’histoire magmatique du souffre est cependant difficile à reconstruire à partir des produits volcaniques à cause de sa volatilité élevée. Ce projet propose d’étudier le magmatisme d’arc, depuis sa source jusqu’au dégazage volcanique, à partir des éléments chalcophiles semi-volatils sélénium (Se) et tellure (Te). Se et Te se positionnent dans la colonne du soufre dans la classification périodique, et sont hautement chalcophiles (coefficients de partage sulfure liquide / liquide silicaté > 500). 

L’étude concernera l’arc Equatorien qui comprend plusieurs alignements volcaniques échantillonnant le manteau à différentes distances de la zone de subduction. Elle s’appuiera sur une vaste collection d’échantillons de laves dont la composition (concentration en éléments majeurs et éléments traces conventionnels, composition isotopique Sr-Nd-Pb) est déjà bien documentée. Les concentrations en Se et Te seront mesurées précisément par ID-HG-ICPMS (dilution isotopique et mesure par générateur d’hydrure couplé à un spectromètre de masse à source plasma). Les concentrations en soufre seront mesurées par analyseur élémentaire. Ce stage impliquera un travail analytique en salle de chimie blanche.

Sujet n°17 : Comment se forment les formations de fer rubanées à l’Archéen ? 

Encadrant : Marion Garçon (marion.garcon@uca.fr)

Co-encadrant : Nicolas Olivier

Les formations de fer rubanées sont des dépôts sédimentaires emblématiques de l’Archéen qui n’ont pas d’équivalents dans les océans modernes. Ces sédiments sont constitués d’une alternance de bandes riches en fer et en silice dont l’origine est encore débattue (Konhauser et al., 2017). L’objectif de ce stage est d’étudier les formations de fer rubanées de la province du Supérieur au Canada (2.7 Ga) et de la ceinture de roches vertes de Barberton en Afrique du Sud (3.2 – 3.4 Ga) d’un point de vue sédimentaire et géochimique. En géochimie, nous analyserons les systèmes isotopiques 176Lu-177Hf et 147Sm-143Nd dans les bandes riches en fer et en silice pour dater précisément la formation et le temps de mise en place des sédiments et pour déterminer leur origine. Ces résultats permettront de mieux comprendre les conditions de surface et les mécanismes de mise en place des sédiments au début de l’histoire de la Terre. 

Méthodes utilisées: Travail en salle blanche (attaque et séparations chimiques), analyses ICPMS et TIMS

Références :

Konhauser, K.O., Planavsky, N.J., Hardisty, D.S., Robbins, L.J., Warchola, T.J., Haugaard, R., Lalonde, S.V., Partin, C.A., Oonk, P.B.H., Tsikos, H., Lyons, T.W., Bekker, A., Johnson, C.M., 2017. Iron formations: A global record of Neoarchaean to Palaeoproterozoic environmental history. Earth Science Reviews 172, 140–177. doi:10.1016/j.earscirev.2017.06.012 

Sujet n°18 : Bilan des volatils dans les inclusions vitreuses

Encadrant : Nathalie Bolfan-Casanova (Nathalie.Bolfan@uca.fr)

Co-encadrants : Laure Pison – Federica Schiavi

Les inclusions vitreuses sont des gouttelettes de magmas piégées dans les minéraux qui cristallisent dans la chambre magmatique. Le minéral hôte protège le verre de modifications post-piégeage qui pourraient se produire comme le dégazage. Néanmoins, lorsque les magmas sont très riches en volatils une bulle se forme dans l’inclusion pendant le refroidissement, et qui contient le CO2 (entre autres volatils). L’objectif de ce stage est de contraindre le budget en volatils des inclusions vitreuses riches en volatils (tels que H2O, CO2, etc…) en utilisant un nouveau développement au Laboratoire Magmas et Volcans : la cellule diamant au chauffage laser. Cet outil permet de ré-homogénéiser (c’est-à-dire re-dissoudre) le gaz dans le magma, mais ceci à haute pression afin de favoriser la solubilité élevée du gaz dans le magma.

Méthodes utilisées: L’étudiant apprendra à utiliser la cellule diamant au chauffage laser ainsi que les outils spectroscopiques de mesure des volatils (FTIR et Raman), mais aussi la microsonde électronique et le MEB.

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