Abstract :
[fr] La planète Mercure présente des caractéristiques exotiques comparée à la Terre. Sa surface est faite de laves formées en conditions très réductrices, très pauvre en FeO (<1 wt%) et riche en soufre (2 - 4 wt%). Sa structure interne est aussi très différente, avec un énorme noyau de fer et un fin manteau. L’existence d’une couche de FeS à l’interface noyau-manteau a aussi été suggérée. Ces caractéristiques font de Mercure un astre à part en comparaison des autres planètes telluriques. Afin de comprendre les processus
géologiques qui ont mené à ce qu’on observe à sa surface, nous avons besoin d’informations sur le comportement chimique des éléments sous conditions très réductrices. Ces conditions redox uniques ne se rencontrent pas sur Terre, et la pétrologie expérimentale devient nécessaire afin d’étudier le partage des éléments entre les différents réservoirs de Mercure. Nous avons effectué une centaine d’expériences sur plusieurs appareils expérimentaux, couvrant une large gamme de pressions et de températures (0.0001 – 6 GPa et 1300 – 1700 °C) sur des poudres de compositions représentatives de la partie silicatée de Mercure et de ses laves. Les charges
expérimentales produites présentes trois liquides en équilibres (métallique, sulfurée et silicatée) ainsi que des sulfures sans fer (CaS/MgS), et nous avons pu calculer pour une trentaine d’éléments les coefficients de partage entre les différentes phases en présence.
Nous avons utilisé les données de partages de U, Th et K pour déterminer la distribution de ces éléments producteurs de chaleur durant la différenciation primordiale et la fusion partielle du manteau. Nous montrons, en nous basant sur le ratio Th/U mesuré à la surface, qu’une couche FeS formée en équilibre avec la partie silicatée ne peut pas exister. De plus, nos modèles montrent que les ratios K/Th et K/U sont inférieurs à ce qui serait attendu si les ratios initiaux étaient chondritiques. En modélisant la distribution de Ti, Cr et Mn et en comparant ces résultats avec leur concentration mesurée à la surface,
nous montrons que le manteau résiduel de Mercure durant sa fusion partielle doit être composé d’une grande fraction de CaS, ce dernier incorporant du Cr et du Mn, mais pas de Ti. En particulier, le Mn devrait adopter un comportement très compatible dans le manteau, ce qui impliquerait la présence d’alabandite (MnS). Enfin, nous montrons que la valeur de la différence des coefficients de partage métal-silicate de deux éléments au sein d’un même échantillon est directement proportionnelle à leur différence en électronégativité. En nous basant sur une large base de données de la littérature, nous
proposons une nouvelle équation pour prédire la valeur des coefficients de partage métal-silicate avec une exactitude de 1-2 σ (en logarithme népérien) pour un grand nombre d’éléments, pour autant que le coefficient de partage d’au moins un élément dans l’échantillon étudié est connu pour servir de standard.
[en] Planet Mercury exhibits exotic characteristics compared to Earth. Its surface shows highly reduced lavas
devoid of FeO (<1 wt%) and rich in sulfur (2 - 4 wt%). Its internal structure is also very different, with an enormous iron core and a thin mantle. An FeS layer, at the core mantle boundary, has also been proposed. These features make Mercury unique compared the other terrestrial planets. To understand processes that shaped the surface and the interior of the planet, we need information on the chemical behavior of elements under very reducing conditions. As these peculiar redox conditions are not met on Earth, the use of experimental petrology to constrain the partitioning of elements among the different
reservoirs of Mercury is needed. In this thesis, we performed around a hundred experiments using various experimental apparatuses, spanning a large pressure and temperature range (0.0001 – 6 GPa and 1300 – 1700 °C) on powders whose compositions are representative of Mercury’s silicate part and lavas. The quenched products of
our experiments show three equilibrated melts (metal, sulfide, and silicate) as well as solid Fe-free sulfides (CaS/MgS) and were used to calculate metal-silicate and sulfides-silicate partition coefficients for over 30 elements. We use U, Th and K partitioning data to determine the distribution of these heat-producing elements during primordial differentiation and partial melting of the mantle. We show that, based on the Th/U
ratios measured on the surface, there cannot be an FeS layer formed in equilibrium with the silicate part. Moreover, we show that surficial K/Th and K/U are several times lower than expected from chondritic compositions. By modelling the distributions of Ti, Cr and Mn and comparing those values to their measured surface contents, we show that the residual mantle of Mercury after partial melting and production of the secondary volcanic crust should host a significant amount of CaS that incorporates Cr and Mn, but not Ti. In particular, Mn should be very compatible in the mantle, requiring the presence of
alabandite (MnS). Finally, we show that the value of the difference of partitioning of two different elements in a sample is directly proportional to their difference in electronegativity. Based on a large dataset from the literature, we propose a new equation to predict metal-silicate partition coefficients with relatively high accuracy (σ~1-2 in natural logarithm) for a large number of elements, provided that the partition coefficient of at least one element in the studied sample is known to serve as a standard.
Jury member :
Namur, Olivier; KU Leuven - Katholieke Universiteit Leuven [BE]
Cartier, Camille; UL - Université de Lorraine [FR]
Collinet, Max; UNamur - Université de Namur [BE]
