Description

Contexte scientifique: Les noyaux des planètes telluriques, principalement composés d'un alliage fer-nickel, incorporent des éléments légers (H, S, C, Si, O ; Poirier, 1995) lors des processus de différenciation précoce. Parmi ces éléments, le silicium (Si) joue un rôle majeur dans les environnements très réducteurs, comme celui de Mercure, où il pourrait représenter jusqu'à 10% en masse du noyau. Dans le cas de la Terre, bien que moins abondant, le Si influence significativement les propriétés physiques du noyau, notamment sa densité ainsi que les vitesses sismiques, ou encore sa température de fusion.
Problématique et objectifs: Ce projet de thèse vise à caractériser les systèmes binaires Fe-Si et ternaires Fe-Ni-Si dans des conditions extrêmes de pression et température, jusqu'à 250 GPa et 5000 K, couvrant les gammes du noyau de Mercure (5-40 GPa) et une partie significative du noyau terrestre (135-360 GPa). Nos travaux précédents sur le système Fe-Si (Edmund et al, 2022 ; Yokoo et al, 2023) non seulement couvrent une gamme de pression seulement jusqu’à 120 GPa, mais ils ont aussi révélé une évolution complexe du diagramme de phase Fe-Si dans la gamme de pression mercurienne, avec des transitions de phase encore mal comprises. L'effet du nickel, élément majeur des noyaux planétaires, reste aussi très mal contraint et demande des données expérimentales complémentaires.
De façon générale, ce projet vise à étudier plusieurs alliages binaire et ternaire afin de déterminer le diagramme de phase du système ternaire Fe-Ni-Si à hautes pressions (température de fusion, partage solide-liquide, …) ainsi que les propriétés physiques des phases liquides, avec le but final de constituer un modèle thermodynamique cohérent du système ternaire Fe-Ni-Si.
Approche expérimentale innovante: Notre stratégie combine deux approches complémentaires :
1. Compression dynamique : Une campagne de mesures est programmée en décembre 2026 à l'European XFEL (Hambourg), utilisant la compression par laser de puissance couplée à la diffraction X ultra-rapide. Cette méthode unique permettra d'explorer les propriétés des alliages à l'état liquide dans des conditions terrestres (Pression de ~ 250 GPa et température d’environ 5000 K).
2. Compression statique : Nous développerons au laboratoire des expériences utilisant un chauffage laser ultra-court (microsecondes) en cellule à enclumes de diamant, combiné à des techniques avancées d'analyse chimique (cryo-FIB et microsonde électronique). Cette approche sera particulièrement pertinente pour l’étude des processus de fusion et la répartition des éléments entre phases solide et liquide aux conditions du noyau de Mercure.
Un atout important pour la réussite de ces projets sera l’utilisation de la plateforme PEACE, qui permet la synthèse d’échantillon homogène par PVD (Physical Vapor Deposition) pour une grande variété de composition dans le système ternaire Fe-Ni-Si.
Retombées scientifiques attendues: Les résultats obtenus permettront :
• D’étudier expérimentalement le comportement d’alliages Fe-Si et Fe-Ni-Si sur une large gamme de pression et température
• D'établir un modèle thermodynamique complet du système ternaire Fe-Ni-Si aux conditions des noyaux de Mercure et de la Terre
• De fournir des données expérimentales cruciales pour les modèles géophysiques
• De contraindre les compositions des noyaux de Mercure et de la Terre
• D'améliorer notre compréhension des processus de différenciation planétaire

Ce projet s'inscrit dans une collaboration internationale impliquant des experts en physique des chocs (Chris McGuire, Lawrence Livermore National Laboratory, USA), modélisation thermodynamique (Charles-Edouard Boukaré, Université de York, Canada), science des matériaux et planétologie (IMPMC, Sorbonne Université), et bénéficiera des dernières avancées en matière de diagnostics ultra-rapides pour l'étude des matériaux extrêmes.

Compétences requises

-Connaissance en Sciences de la Terre et/ou Physique de la Matière Condensée -Curiosité vis-à-vis des résolutions de problèmes scientifiques -Connaissance de base en Minéralogie, Cristallographie -Attrait pour la manipulation de précision -Connaissance en programmation informatique (par exemple, langage Python)

Bibliographie

Edmund, E., Morard, G., Baron, M.A., Rivoldini, A., Yokoo, S., Boccato, S., Hirose, K., Pakhomova, A., Antonangeli, D., 2022. The Fe-FeSi phase diagram at Mercury’s core conditions. Nat. Commun. 13. https://doi.org/10.1038/s41467-022-27991-9
Morard, G., Andrault, D., Antonangeli, D., Nakajima, Y., Auzende, A.L., Boulard, E., Cervera, S., Clark, A., Lord, O.T., Siebert, J., Svitlyk, V., Garbarino, G., Mezouar, M., 2017. Fe–FeO and Fe–Fe3C melting relations at Earth’s core–mantle boundary conditions: Implications for a volatile-rich or oxygen-rich core. Earth Planet. Sci. Lett. 473. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.05.024
Morard, G., Hernandez, J., Pege, C., Nagy, C., Libon, L., Lacquement, A., Sokaras, D., Lee, H.J., Galtier, E., Heimann, P., Cunningham, E., Glenzer, S.H., Vinci, T., Prescher, C., Boccato, S., Chantel, J., Merkel, S., Zhang, Y., Yang, H., Wei, X., Pandol, S., Mao, W.L., Gleason, A.E., Shim, S.H., Alonso-mori, R., Ravasio, A., 2024. Structural evolution of liquid silicates under conditions in Super-Earth interiors. Nat. Commun. 1–9. https://doi.org/10.1038/s41467-024-51796-7
Yokoo, S., Edmund, E., Morard, G., Baron, M.A., Boccato, S., Decremps, F., Hirose, K., Pakhomova, A., Antonangeli, D., 2022. Composition-dependent thermal equation of state of B2 Fe-Si alloys at high pressure. Am. Mineral. In press.

Mots clés

Noyaux planétaires, Alliages Fe-Si et Fe-Ni-Si, Hautes pressions, Approche expérimentale