Thèses en cours dans notre équipe
Métabolismes à l'archéen supérieur (2,7 Ga) dans leurs environnements
sous la co-direction de Magali ADER et de Pascal PHILIPPOT (Géobiosphère actuelle et primitive)
Ce sujet de thèse propose une étude intégrée la formation sédimentaire de Tumbiana datée à 2,7 Ga.
Cette période clé montre la première grande "excursion négative du carbone de la matière organique", l'augmentation soudaine du rapport 87Sr/86Sr de l'eau de mer et la disparition des fractionnements indépendants de la masse des isotopes du soufre dans les sulfures sédimentaires.
Les échantillons proviennent d'un forage (« Pilbara Drilling Project » CNRS, IPGP et Geological Survey of Western Australia) et représentent une collection unique de roches fraîches
à 2,7 Ga.
La caractérisation des biotopes et métabolismes (photosynthèse anaérobie, sulfato-réduction, méthanogenèse, méthanotrophie) fossilisés dans ces échantillons sera abordée selon trois approches complémentaires :
• caractérisation pétrologique (MEB, imagerie synchrotron, Raman) et chimique (traces et majeurs)
• isolation et caractérisation structurale et chimique du kérogène
• mesure des compositions isotopiques d'un maximum de phases constitutives de ces échantillons :
δ13C des carbonates et de la matière organique, δ18O des silicates et des carbonates, δ15N de la matière organique, très peu de données disponibles à l'heure actuelle, et δ34S et δ33S des sulfures (Installation d'un couplage ablation laser-spectrométrie de masse isotopique permettant l'analyse conjointe du δ34S et δ33S de sulfures individuels).
La convection mantellique vue du manteau inférieur : les isotopes du carbone et de l’azote dans des diamants du manteau (inférieur)
sous la co-direction de Pierre CARTIGNY et de Pierre AGRINIER
L’azote et ses isotopes représentent un traceur de choix pour tracer les intéractions dans le système manteau-croûte-atmosphère. Les compositions isotopiques distinctes entre manteau et les réservoirs de surface nous permettent de prédire des variations séculaires du manteau, de la croûte et de l’atmosphère; notre équipe en cherche activement la trace dans l’enregistrement géologique. Suivant que la Terre convecte à une ou deux couches, on prédit des signatures isotopiques de l’azote distinctes ou semblables entre manteaux supérieur et profond.
C’est ce dernier point que le sujet se propose de traiter. Nous disposons enfin d’échantillons du manteau inférieur, à savoir une centaine de diamants du Brésil, Canada, Guinée et Afrique du Sud. Toutefois ces échantillons sont environ dix fois moins riches en azote que les diamants du manteau supérieur que nous analysons en routine.
Le sujet est analytiquement réalisable (les techniques sont maintenant au point), mais l’analyse est délicate. Nous utiliserons des techniques d’extraction, purification et quantification de quantité de carbone et de nanoquantités d’azote; et leurs analyses isotopiques par spectrométrie de masse fonctionnant en dynamique et statique respectivement.
Cinétiques et mécanismes d’oxydo-réduction du fer dans les silicates fondus
sous la codirection de Daniel Neuville et de Pascal Richet
La structure et la dynamique des silicates dépendent de multiples facteurs. Par exemple, la composition chimique joue un très grand rôle, avec en particulier, les éléments de transition. Ces derniers posent des problèmes car leur position structurale dépend de leur valence qui varie elle-même selon les paramètres intensifs imposés (température, pression, composition et fugacité d’oxygène). Une bonne connaissance des équilibres rédox du fer dans les silicates est donc importante aussi bien pour comprendre l’évolution chimique et structurale des magmas (formation, cristallisation) que pour optimiser industriellement les procédés de fabrication et les propriétés des verres comportant du fer.
Rôle du fer présent dans les magmas :
Le fer est un élément important en Sciences de la Terre car son abondance dans les roches ignées lui fait jouer un rôle significatif dans la physique des minéraux et des magmas. De manière générale, la viscosité des liquides silicatés diminue quand la teneur en fer augmente. Elément de transition, le fer est présent sous forme réduite (Fe2+) ou oxydée (Fe3+). On considère généralement que Fe3+ est un formateur de réseau, comme Al3+ et Si4+, tandis que Fe2+ est un modificateur de réseau analogue à d¹autres cations divalents tels que Ca2+. Le fer possède alors une influence sur les propriétés rhéologiques et thermodynamiques des magmas en fonction de sa teneur mais aussi de son état rédox. Les phénomènes de cristallisation dépendent aussi de la position structurale du fer, donc de son état rédox.
Vitrification des déchets nucléaires :
Le choix du verre pour confiner durablement les déchets nucléaires vient de la capacité du réseau vitreux à incorporer une très large variété d'espèces chimiques. Les optimisations des matrices vitreuses formulées portent surtout sur leurs compositions chimiques voire leurs températures d'élaboration. Les études menées ces dernières années en vitrification ont mis en évidence que le contrôle de l'état rédox du verre, et de fait l'état d'oxydation des espèces multivalentes, pouvait modifier significativement les propriétés du verre en fusion lors de son élaboration (propriété rhéologique, moussage) et du verre final (taux d'incorporation de certains éléments, homogénéité, propriétés de durabilité chimique). Des études visant à la compréhension et à la maîtrise des phénomènes d'oxydoréduction dans les verres ont été engagées sous forme de collaborations avec le CEA (Commissariat à l’Enérgie Atomique).
Les récentes études menées entre autres par l’équipe de Physique de Minéraux et des Magmas sur des compositions de silicates simples ont permis d'identifier les paramètres qui gouvernent d'un point de vue thermodynamique les équilibres rédox : la composition, la température et l'activité de l'oxygène O2 assimilée à la pression en oxygène du verre, PO2. Pour améliorer la maîtrise et la connaissance de ces phénomènes, j’étudie dans le cadre de ma thèse les mécanismes réactionnels des équilibres d'oxydoréduction dans les verres d’aluminosilicate de fer et de borosilicates de fer.
Ces études consistent à suivre, par spectroscopie XANES et Raman, l'évolution de l'état rédox d'échantillons de verre réduits portés à haute température sous air. Deux mécanismes de mise en équilibre rédox avec l'oxygène de l'air ont été mis en évidence : l'un gouverné par la diffusion des cations 2+, l'autre par la diffusion d'oxygène dans le verre fondu. Les domaines d'application de ces deux mécanismes (température, composition des verres) sont en cours de précision.
sous la codirection de Pierre Cartigny et de Cyril Aubaud
Paléoenvironnements et paléoécosystèmes au lendemain des glaciations Néoprotérozoïques : une étude intégrée de la géochimie des isotopes stables (C, N, S), de la géochimie organique et du magnétisme des roches
sous la co-direction de Magali Ader, de Pierre Cartigny et de Ricardo Trindade (Université de Sao Paulo)
Contexte scientifique :
Le Néoprotérozoïque est une période de fortes modifications environnementales et biologiques.
Parmi les témoins de ces modifications, on trouve (i) des oscillations extrêmes des valeurs de δ13C des carbonates, (ii) des dépôts glaciaires à basses latitudes attestant de glaciations globales, et (iii) des dépôts sédimentaires énigmatiques, les « cap dolostones », déposés lors de la déglaciation dans des conditions induisant la cristallisation de dolomie primaire avec un δ13C voisin de -5‰.
Ce projet de thèse a pour objectif d’apporter des contraintes sur l’environnement, les cycles géochimiques et les écosystèmes au moment du dépôt de ces cap dolostones.
Démarche :
Etude pluridisciplinaire de séries sédimentaires du néoprotérozoïque et d’un analogue naturel potentiel des océans à cette époque, en produisant des données
1- de géochimie isotopique (δ13C, δ15N, δ34S, Δ33S) qui fourniront une image des modifications des cycles géochimiques de ces éléments,
2- de géochimie organique qui par le biais de l’identification de biomarqueurs permettront l’identification d’organismes et la caractérisation d’écosystèmes,
3- de magnétisme des roches, qui par le biais de l’identification des minéraux porteurs d’aimantation permettront de caractériser les conditions d’oxydo/réduction du milieu sédimentaire.
Les cycles du carbone et de l’azote dans les océans précambriens : étude de roches anciennes et d’un analogue moderne (le lac Pavin)
sous la codirection de Marc Benedetti et de Vincent Busigny
La Terre Précambrienne (4500 à 540 Millions d'années) a été le lieu de changements majeurs tels que l'apparition et le développement de la vie, ou encore l'apparition d'oxygène libre. On possède peu d'enregistrements fossiles de ces changements fondamentaux dans l'histoire de notre planète. Si les variations isotopiques (entre autres celles du C, N et Fe) sont d'une importance capitale pour comprendre l'évolution chimique et biologique des océans, la communauté scientifique reste confrontée à deux problèmes inéluctables : (1) nous ne pouvons pas échantillonner l'eau de mer ancienne et (2) les informations portées par les sédiments Précambriens restent difficiles à déchiffrer. La difficulté de déchiffrer les sédiments réside dans le fait que les océans étaient "stratifiés", avec des zones oxiques (riche en oxygène) en surface et des zones profondes anoxiques (sans oxygène et riche en fer). La méconnaissance des systèmes aquatiques "stratifiés" est la principale entrave à notre savoir dans ce domaine.
Nous proposons d’étudier le lac Pavin comme « analogue » d’un océan stratifié. Le lac Pavin, situé à 40 km au sud-ouest de Clermont-Ferrand, appartient au dernier-né des ensembles volcaniques du Massif Central (âgé d'environ 6000 ans). En raison de cette origine volcanique, le lac Pavin présente une valeur de creux la plus élevée de France. Cette morphologie unique favorise l’établissement d’une stratification verticale permanente de la colonne d’eau en limitant les apports d’énergie éolienne. Ainsi les brassages saisonniers de la colonne d’eau, que subissent normalement tous les lacs sous climat tempéré, n’affectent que la partie supérieure, appelée mixolimnion [de 0 à 60 m]. La partie profonde du lac [60 à 92 m] n’est pas affectée par les brassages et constitue une zone anoxique permanente, le monimolimnion. Dans cet environnement, les cycles du C et N sont contrôlés par un grand nombre de processus, au cours desquels les isotopes du C et N doivent être fractionnés comme ils ont pu l’être dans un océan Précambrien stratifié.
Dans ce projet, nous envisageons d’analyser les compositions isotopiques en C et N d’échantillons (i) d’eaux, (ii) de pièges à sédiments prélevés à différentes profondeurs et (iii) de sédiments prélevés par carottage au fond du lac. La mesure des compositions isotopiques en C et N permettra de déterminer quels sont les processus actifs qui contrôlent les cycles biogéochimiques de ces éléments dans ce système stratifié et les modifications potentielles liées à la diagenèse. La comparaison des données de la colonne d’eau aux données sédimentaires permettra de déterminer quels messages isotopiques sont enregistrés dans le sédiment, ce qui est fondamental pour l’interprétation des compositions isotopiques des roches Précambriennes.
Institut de Physique du Globe de Paris - Mise à jour 11/2024
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