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Condensation processes in impact-related vapor plumes evidenced by isotope fractionation

par Roland, Jérôme
Président du jury Mattielli, Nadine
Promoteur Debaille, Vinciane ;Goderis, Steven
Publication Non publié, 2024-01-17

Thèse de doctorat

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Résumé :

[English version]This PhD thesis focuses on the comprehensive chemical and isotopic characterization of various meteorite types, aiming to enhance our understanding of significant processes that shaped the early solar system and its current state. The study centers on the volatility-controlled evaporation and condensation of elements related to asteroid impacts, specifically investigating isotopes of the moderately volatile elements (MVE) zinc, gallium, copper, and iron. The first part of this project was dedicated to the development of a Ga purification technique for precise isotopes measurements. Once established, this method was applied to meteorite samples. Most meteorites are generally regarded as pristine objects, but this is not always the case. Some processes such as thermal metamorphism, aqueous alteration and or impact-shock can significantly alter the chemical and isotopic composition of a meteorite. To investigate this, we studied the bulk MVE isotopes compositions of metal-rich equilibrated ordinary chondrites (H6). We found that the isotope systems show a correlation between the absolute range of isotopes compositions and the 50 % condensation temperature, with the more volatile elements present a higher range of fractionation. Also the range of fractionation observed does not appear to be linked to the shock stages or weathering grades of the samples indicating other processes at play. Their compositions could be inherited from the early solar nebula and accretion processes of the ordinary chondrites parent bodies, with minor effects of thermal metamorphism. We then shifted to metal-rich carbonaceous chondrites (CB and CH) which are thought to have origins related to an impact-vapor plume. We investigated their bulk elemental compositions and their isotopes compositions in Zn, Ga, Cu, and Fe. The observed distinctions in isotopic levels, particularly in Ga, Cu, Fe, and Zn, suggest complex processes at play during their formation. We could confirm various previous conclusions stating that metal in CB and CH originated from different locations within the same impact-related vapor plume. Some CB chondrites appear to have originated in an environment with slower cooling rates and higher temperatures, while other CB and CH chondrites formed under faster cooling rates, without reaching equilibrium. The last part of the thesis was dedicated to a different project. By using radiogenic isotopes, we have investigated a martian meteorite that was found in Antarctica in 2012. The sample has been measured for its major and trace elements compositions and dated using Lu-Hf and Sm-Nd isotopes systems. This thesis enhances our understanding of meteorite evolution and their formation in the early solar system. It underscores the complexity of these celestial bodies and their isotopic signatures, providing valuable contributions to the field of planetary science and cosmochemistry.[Version française]Cette thèse de doctorat se concentre sur la caractérisation chimique et isotopique de différents types de météorites dans le but de mieux comprendre les processus importants ayant eu lieu au début de l’histoire du système solaire. L’étude est centrée autour des processus d’évaporation et condensation en relation avec les impacts d’astéroïdes, et leurs effets sur les isotopes d’éléments modérément volatils (EMV) : zinc, gallium, cuivre et fer. La première partie de ce projet fut dédiée au développement d’une méthode de purification du Ga afin de mesurer précisément ces isotopes. La méthode, une fois développée, a été appliquée sur des échantillons de météorites. Les météorites sont généralement vues comme des objets primitifs mais ce n’est pas toujours le cas. Certains processus que le métamorphisme thermique, l’altération aqueuse ou encore les chocs d’impact peuvent significativement changer la composition chimique et isotopique d’une météorite. Nous avons donc étudié les compositions en roche totale d’isotopes EMV dans des chondrites ordinaires équilibrées et riches en métal (H6). Nous avons pu voir que les éléments les plus volatils présentaient une gamme de fractionnement isotopique plus large que les éléments moins volatils. Cette gamme ne montre cependant aucune relation avec les degrés de choc ou d’altération des météorites étudiées indiquant un autre processus en jeu. Leurs compositions isotopiques pourraient être directement héritées de la nébuleuse solaire et des processus d’accrétion sur leurs corps parents, avec des effets mineurs de métamorphisme thermique. Nous nous sommes par la suite intéressés aux chondrites carbonées riches en métal (CH et CH) qui trouvent leur origine dans un panache d’impact. Nous avons étudié leurs compositions élémentaires et isotopiques, toujours pour les systèmes Zn, Ga, Cu et Fe. Les différences que ces systèmes présentent suggèrent des processus complexes regardant leur mise en place. Nous avons pu confirmer les conclusions d’autres études indiquant que le métal dans les CB et CH s’est condensé à différents endroits dans un panache d’impact. Pour certaines CB il s’agit d’un environnement refroidissant plus lentement et avec de plus hautes températures maximales alors que pour d’autres CB et les CH un environnement refroidissant plus vite et avec des températures maximales plus basses. La dernière partie de la thèse fut dédiée à un projet différent du reste. En utilisant les isotopes radiogéniques du Lu-Hf et Sm-Nd, nous avons daté une météorite martienne trouvée en Antarctique en 2012. L’échantillon a été mesuré pour déterminer sa composition en éléments majeurs et en trace. Cette thèse améliore notre compréhension de l’évolution des météorites, et leur formation au début de l’histoire du système solaire. Elle montre la complexité des signatures isotopiques dans les météorites et l’importance de la cosmochimie.