Différenciation magmatique, Différenciation métal-silicate, Noyau martien, Expériences HP-HT, Solidification de l'océan de magma, Séquence de cristallisation

Les océans de magma planétaires étaient omniprésents sur les planètes telluriques dans les prémices du Système Solaire et leur ont permis de se différencier en un manteau silicaté et un noyau riche en fer. Ces océans de magma se sont ensuite progressivement solidifiés par refroidissement séculaire, et leur cristallisation a conduit à la formation des principaux réservoirs pétrologiques et géochimiques dans le manteau. Dans cette thèse, nous avons étudié deux types de différenciation, métal-silicate et magmatique, à travers des expériences à haute pression et haute température appliquées à deux planètes : Mars et la Terre. Le noyau martien est plus léger qu'un alliage pur Fe-Ni, ce qui suggère la présence d'éléments légers en son sein. Parce que Mars est plus oxydée que la Terre, son noyau ne peut contenir de silicium. L'hydrogène a été étudié mais s'est avéré négligeable, tandis que le carbone ne peut être présent qu'à de faibles concentrations en raison de sa faible solubilité dans les alliages de fer riches en soufre. Quant à l'oxygène, il n'a jamais été envisagé car sa solubilité dans le fer dans les conditions du noyau martien était supposée être faible, laissant le soufre comme seul candidat. Cependant, le soufre à lui seul ne peut expliquer le déficit de densité sans violer les contraintes cosmo- et géo- chimiques. Pour répondre à cette problématique, nous avons réalisé une série d'expériences de partitionnement métal-silicate dans des presses piston-cylindre et multi-enclume dans des conditions de noyau martien. Les échantillons ont été analysés par microscopie électronique à balayage ou microsonde électronique et ont ensuite été intégrés dans un modèle thermodynamique de formation du noyau martien. Les résultats obtenus montrent qu'une quantité non-négligeable d'oxygène pourrait être dissoute dans un noyau martien riche en soufre ce qui pourrait expliquer le déficit de densité observé. La différenciation magmatique est un autre type de différenciation ayant eu lieu lors de la solidification de l'océan magmatique. Ce processus reste cependant mal contraint d'un point de vue pétrologique et dynamique, en particulier aux pressions du manteau inférieur. Pour cette raison, nous avons développé un nouveau protocole expérimental de cristallisation fractionnée dans la cellule à enclume de diamant à chauffage laser et l'avons ensuite appliqué à une série d'expériences à différentes pressions du manteau terrestre. Les échantillons ont été analysés par microscopie électronique à transmission et microscopie à balayage à rayons X (synchrotron) pour étudier la nature, composition et valence du fer des minéraux et leur évolution au cours de la cristallisation. Nous confirmons que la bridgmanite est la phase du liquidus de la pyrolite dans tout le manteau inférieur. Elle est ensuite accompagnée du ferropericlase jusqu'à de très faibles degrés de liquide résiduel, moment où la calcium pérovskite cristallise. Nous avons également étudié la composition des liquides résiduels et établi les diagrammes de phases de fusion de la pyrolite à quatre pressions du manteau inférieur (53, 87, 107, 131 GPa). Ces derniers peuvent ensuite être utilisés pour contraindre des modèles thermodynamiques auto-cohérents afin de prédire les séquences de cristallisation de l'océan magmatique à toutes les pressions du manteau terrestre. Nous avons ensuite analysé la chimie cristalline de la bridgmanite. La solubilité du calcium y est limitée, même à ces températures extrêmes, ce qui implique que la calcium perovskite doit être présente dans le manteau inférieur solide, à toutes les profondeurs. Enfin, nous avons mesuré la valence du fer (ferreux et ferrique) dans la bridgmanite et avons constaté qu'elle contient des concentrations élevées de fer ferrique, même avec un matériau de départ qui ne contient que du fer ferreux. Cela prouve que la disproportion a lieu lors de la solidification de l'océan magmatique.