Conditions de formation des matériaux - Aix

Proposition de sujet de thèse 2017
(A remplir par les équipes d'accueil et à retourner à Isabelle HAMMAD : [email protected]
MASTER :
Ordre de priorité de la proposition(1) :
Candidat(e)(1)
Nom - Prénom :
Date de naissance :
Cursus de second cycle (origine, années, mention) :
Mention et classement au Master (Xème sur Y) :
Sujet de doctorat proposé
Intitulé : Conditions de formation des matériaux réfractaires dans les environnements planétaires
Descriptif : Le travail proposé se situe dans le cadre de l’étude de la formation et de l’évolution des planètes telluriques,
des petits corps rocheux et des satellites du système solaire. Nous souhaitons nous intéresser en particulier à la
composition des matériaux réfractaires qui se sont formés suite au refroidissement de la nébuleuse primordiale, ou bien
consécutivement à des phénomènes à très hautes températures tels que ceux engendrés par les collisions qui ont fortement
marqué l’histoire du système solaire. Au final, ces matériaux réfractaires se sont agglomérés entre eux et ont constitué les
« briques de base » des différentes planètes et des petits corps du Système Solaire. Le but de ce travail est de déterminer
les conditions de formation à très hautes températures aboutissant à la condensation de liquides (métalliques et silicatés),
puis à leur cristallisation dans i) des environnements gazeux à basse pression comme la partie interne de la nébuleuse
primitive et ii) dans des environnements plus denses et de plus haute température comme ceux générés lors d’impacts
entre planétoïdes. De nombreuses données de laboratoire existent sur la cristallisation de solides à partir d’une phase
vapeur mais malheureusement trop peu sont disponibles sur les équilibres gaz-liquide au delà de 1600°C. Le premier
objectif de la thèse consistera à élaborer un code numérique basé sur le principe de minimisation de l’énergie libre de
Gibbs et dédié à la détermination de la composition des solides formés par condensation et cristallisation via l’étude des
équilibres gaz-liquides-solides dans les conditions probables de formation des corps solides du système solaire. Des codes
analogues, tels que HSC Chemistry (Outotec), ont été développés pour l’industrie et sont actuellement utilisés en
planétologie, mais ceux-ci ne se focalisent que sur l’équilibre solide-gaz à haute température et n’intègrent pas la phase
liquide.
Une fois implémenté, le code thermodynamique sera utilisé pour tenter d’apporter des réponses à des questions posées
dans deux domaines distincts des sciences planétaires. Un volet de l’étude concernera la confrontation des résultats du
code avec deux types d’objets disponibles et susceptibles d’être analysés au laboratoire : les chondres de météorites et les
verres d'impacts terrestres, deux domaines d'expertise de l'équipe de planétologie du CEREGE. Les chondres, gouttelettes
millimétriques partiellement recristallisées, sont les objets les plus fréquemment observés dans les météorites. On
considère classiquement qu’ils ont étés formés dans la nébuleuse primitive par un évènement thermique bref, et qu’ils
constituent les premiers matériaux à l’origine des corps planétaires. Toutefois, après un consensus qui a duré 40 ans, il y a
de plus en plus d’évidences pour une origine alternative des chondres qui auraient pu se former par condensation dans des
panaches de gaz denses, suite à des impacts entre de petits corps protoplanétaires (eg, Krot et al. 2005 ; Johnson et al.
2015). Les verres d’impacts et les tectites, formés sur Terre suite à des impacts de météoritiques, résultent également
vraisemblablement de la condensation d’un plasma de très haute température (von Engelhardt, 2005). On s’attachera donc
à comparer les compositions et l’histoire thermique de ces objets avec les résultats de la modélisation thermodynamique
et des observations astronomiques.
Un autre volet de l’étude consistera à déterminer la composition des planétésimaux formés proches du Soleil par
condensation, puis cristallisation, et qui ont pu participer à la construction des planètes telluriques les plus internes (Lewis
1997). La composition des matériaux réfractaires condensés dans ces conditions est méconnue et pourrait avoir des
implications pour l’origine de Mercure, qui est située à 0,4 Unités Astronomiques du Soleil et possède un noyau
métallique entouré d’un manteau silicaté très mince. Le code thermodynamique permettra aussi d’apporter des contraintes
sur la composition des lunes (Phobos, Deimos, la Lune, etc) qui se sont formées suite à un processus collisionnel dans le
système solaire (Canup et al. 2015 ; Ronnet et al. 2016). Il a été notamment démontré qu’une phase « fluide » ou «
magma » pouvait se former dans les disques résultants d’une collision et la composition des roches formées dans ces
environnements est mal contrainte. Ce type de modèle, décrivant la composition des minéraux ont fonction de leur
température de condensation/cristallisation dans la nébuleuse permettra également de mieux connaître les échelles de
temps de formation des astéroïdes de la ceinture principale en confrontant leurs compositions à celles obtenues par la
modélisation. Par ailleurs, le code numérique pourra être utilisé pour mieux comprendre la composition des océans
magmatiques et des atmosphères de silicates supposés exister dans certains environnements exoplanétaires comme Corot
7b (Léger et al. 2011).
Ce travail de modélisation s’inscrit dans un contexte d’exploration du Système Solaire par des missions robotisées, parmi
lesquelles figure en projet la mission MMX de l’agence spatiale Japonaise JAXA, qui est destinée à explorer la lune de
Mars Phobos avec un lancement envisagé en 2022. Le(la) candidat(e) recherché(e) aura une formation en physique,
géosciences ou sciences de la matière. Le sujet de thèse contenant une part importante de modélisation, Le(la) candidat(e)
devra avoir de solides connaissances en thermodynamique, physique et méthodes numériques. Le travail devant être
effectué dans un environnement international, une bonne maîtrise de l’anglais est requise.
Le projet proposé a été conçu pour mettre en oeuvre une synergie basée sur les compétences thématiques et les capacités
analytiques de deux communautés scientifiques distinctes, représentées par deux laboratoires d’excellence d’AMU mais
qui n’ont encore des interactions que trop limitées : les géosciences (CEREGE) et l’astrophysique (LAM). Le sujet de
thèse proposé fait appel à des connaissances en physique, thermodynamique, minéralogie et géologie.
Les axes de recherche proposés sont au coeur des problématiques les plus importantes en planétologie : origine et
évolution du système solaire interne, conditions de formation des chondres des météorites primitives, formation des
planètes et exoplanètes rocheuses, et importance des impacts dans l’évolution des corps planétaires.
Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le contexte de la création du Pôle de Sciences Planétaires d’Aix- Marseille
Université, qui vise à fédèrer une trentaine de chercheurs issus de 5 laboratoires (LAM, CEREGE, PIIM, IRPHE, OHP)
autour de projets interdisciplinaires. Le sujet proposé tire également profit de l’expérience des deux encadrants, de leurs
réseaux de collaborations, ainsi que de la qualité de l’environnement scientifique local.
Le travail proposé bénéficiera de la forte visibilité internationale du LAM et du CEREGE en termes de retombées
scientifiques et de la publication des résultats dans des journaux de premier plan. Ce sujet de thèse peut de plus être
aisément valorisé au niveau du grand public : l’OSU PYTHEAS est en effet déjà impliqué dans le réseau de détection de
météorites FRIPON et le projet de sciences participatives VigieCiel qui lui est associé.
Programme finançant la recherche :
obtenu :
envisagé : CNES, PNP-INSU
Directeur HDR proposé
Nom - Prénom : Devouard Bertrand
Adresse mail : [email protected]
Corps : PR
Laboratoire CEREGE
Choix de cinq publications récentes (les doctorants dirigés co-signataires sont soulignés) :
RONNET, T., VERNAZZA, P., MOUSIS, O., BRUGGER, B., BECK, P., DEVOUARD, B., WITASSE, O., and CIPRIANI, F.
(2016) - Reconciling the orbital and physical properties of the martian moons. The Astrophysical Journal, 828:109.
CHAUMARD, N. and DEVOUARD, B. (2016) - Unequilibrated chondrules and metamorphic history of CK carbonaceous
chondrites. Meteoritics & Planetary Science, 51(3):547–573.
ROCHETTE, P., GATTACCECA, J., DEVOUARD, B., MOUSTARD, F., BEZAEVA, N., COURNEDE, C., and SCAILLET, B.
(2015) - Magnetic properties of tektites and other related impact glasses. Earth and Planetary Science Letters, 432:381-390.
CHAUMARD, N., DEVOUARD, B., BOUVIER, A., and WADHWA, M. (2014) - Metamorphosed calcium-aluminum-rich
inclusions in CK carbonaceous chondrites. Meteoritics & Planetary Science, 49(3):419-452.
VACHER, D., MENECIER, S., DUDECK, M., DUBOIS, M., DEVOUARD, B., and PETIT, E. (2013) - Solid carbon produced in an
inductively coupled plasma torch with a Titan like atmosphere. International Journal of Aerospace Engineering, article ID
546385.
Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières années
Pas de thèse co-encadrée depuis 2012 (Noël Chaumard, actuellement en post-doc à Wisconsin University;
financement MENSR et PNP, 80% de co-encadrement).
Autre directeur proposé (éventuellement)
Nom - Prénom : Mousis Olivier
Adresse mail : [email protected]
Corps : PR
Laboratoire LAM