Les chondrites carbonées (CCs) sont des objets primitifs accrétés lors de la formation du Système Solaire. Composées en grande partie de chondres, de matrice et d’inclusions réfractaires, elles ont enregistré les hétérogénéités chimiques, isotopiques et minéralogiques de la nébuleuse solaire. Contrairement aux autres classes de chondrites, la grande majorité des CCs sont primitives (types pétrologiques 1 à 3). Elles n’ont donc pas subi de métamorphisme important sur leur corps parent. Toutefois, un groupe de CCs, les CKs, montre un métamorphisme thermique intense (types pétrologiques 4 à 6). Ces chondrites sont caractérisées par des matrices recristallisées, des olivines équilibrées à ∼Fa31, un degré d’oxydation important (olivines riches en NiO, rapport métal/magnétite proche de zéro), des teneurs en éléments réfractaires lithophiles intermédiaires aux CVs et aux COs, ou encore des compositions isotopiques en oxygène se situant dans le champ défini par les CVs et les COs. Les CKs ont été peu étudiées jusqu’au début des années 90, car peu nombreuses (seulement 210 classifiées au 6 décembre 2011) et de petite taille (masse médiane ∼33,5g). Leurs compositions isotopiques et chimiques laissent supposer l’existence d’un lien génétique avec les CV3. Les découvertes récentes de nouvelles CKs depuis 1990, et notamment de CK3 par le biais de collectes systématiques au Sahara et en Antarctique, permettent l’étude détaillée de l’évolution métamorphique des CKs, notamment à la transition 3–4. Ce travail a pour but de caractériser les conditions dans lesquelles s’est déroulé cet épisode métamorphique, et grâce à l’observation de plusieurs CK3–4, d’étudier la relation CV-CK. La caractérisation détaillée de l’évolution métamorphique de 19 CKs dont 5 CK3 a permis de confirmer que les différences observées entre les divers composants chondritiques (abondance, minéralogie, texture) des CVs et des CKs peuvent être expliquées par un épisode thermique secondaire de HT-BP (∼300–650°C) en conditions oxydantes (∼NNO). De plus, l’analyse de profils de diffusions dans les chondres des CKs indique des durées de métamorphisme intermédiaires à celles communément invoquées pour du choc (de quelques secondes à quelques jours) et pour la désintégration d’éléments à courte durée de vie (plusieurs millions d’années). Une série d’expériences réalisées en four 1 atmosphère avec contrôle de la fugacité d’oxygène nous a permis de reproduire les textures caractéristiques des CKs et d’obtenir une teneur en fer d’équilibre des olivines des CVs, valeur proche de celle mesurée dans les CKs. Cela semble donc confirmer que les CKs sont des CVs rééquilibrées. Par conséquent, la classification actuelle de ces chondrites en deux groupes distincts devrait être modifiée afin de rendre compte de l’existence de cette série métamorphique CV-CK continue. Nous proposons de considérer le chauffage radiatif comme cause possible du métamorphisme des CKs. Un modèle numérique nous a permis de confirmer que des météoroïdes carbonés avec des périhélies situés entre 0,07 et 0,15 UA peuvent être chauffés à des températures pouvant aller jusqu’à 780°C. Les tailles pré-atmosphériques estimées pour les CV-CK (de quelques centimètres à 2,5 mètres) sont compatibles avec ce type de processus. La fragmentation d’un corps parent homogène de type CV (possiblement l’astéroïde à l’origine de la famille d’Eos) pourrait former des météoroïdes qui, sous l’effet de phénomènes de résonances, seraient redirigés vers l’intérieur du Système Solaire et pourraient ainsi être métamorphisés par chauffage radiatif. Ce type de processus thermique secondaire n’étant efficace que pour de petits fragments d’astéroïdes, il ne doit pas être considéré comme un processus corps-parent stricto sensu. / Carbonaceous chondrites (CCs) are primitive objects accreted during the earliest stage of the Solar System formation. Mainly composed of chondrules, matrix and refractory inclusions, CCs recorded chemical, isotopic and mineralogical heterogeneities of the solar nebula. Unlike other chondrite classes, most CCs are primitive (petrologic types 1 to 3), i.e., they have not been affected by thermal parent-body processes. However, CK chondrites suffered an intense metamorphism (petrologic types 4 to 6). The CK group is characterized by recrystallized matrices, equilibrated olivines (∼Fa31), a high level of oxidation (Ni-rich olivines, metal/magnetite ratio close to zero), low contents of refractory inclusions, refractory lithophile abundances intermediate between CV and CO groups, and oxygen isotope compositions overlapping the CV and CO groups. CKs have been poorly studied until the 1990’s, in part due to the small number of classified samples (210 as of December 6th, 2011), and their small masses (median mass∼33.5g). Isotopic and major element compositions support a genetic link with CV3s. Since1990, recent discoveries of CKs, in particular of CK3s recovered by systematic Antarctic and Saharan collects, allow a detailed study of the CK metamorphic evolution, especially at the 3–4 transition. The objective of this study is the characterization of the conditions of metamorphism of CKs, and through analyses of several CK3–4 samples, the study of the CV-CK relationship. The detailed characterization of the metamorphic evolution of 19 CKs, including 5 CK3, confirms that observed differences between chondritic components in CVs and CKs (abundance, mineralogy, texture) can be explained by a secondary HT-BP thermal process (∼300–650°C) under oxidizing conditions (∼NNO). Moreover, durations of metamorphism obtained by the analysis of diffusion profiles in CK chondrules are intermediate between those commonly admitted for shock (few seconds to several days) and for short-lived radionuclides decay (several million years). An experimental study, using a 1-atmosphere furnace with controlled oxygen fugacity, provides additional arguments for the CV-CK relationship. We reproduced characteristic CK textures and obtained olivine iron contents of equilibrated CVs close to those measured in CKs. These experiments confirm that CKs can be considered as reequilibrated CVs. Thus, the current classification of CVs and CKs in two distinct groups should be modified in order to account for the existence of the CV-CK continuous metamorphic series from type 3 to 6. We propose to consider radiative heating as a possible cause of metamorphism for CKs. Numerical thermal modeling indicates that carbonaceous meteoroids with low perihelia (between 0.07 and 0.15 AU) can be heated at temperatures up to 780°C. Pre-atmospheric sizes estimated for CVs and CKs (from a few centimeters to 2.5 meters) support this thermal process. Fragmentation of an homogeneous CV-type parent body (possibly the parent asteroid at the origin of the Eos family) could be the source of meteoroids which, due to resonances, move toward the Sun and thus be metamorphosed by radiative heating. This secondary thermal process, affecting only small asteroid fragments, should not be considered as a parent-body process in the sense that it did not occur on the asteroid before its disruption.

Les astéroïdes sont des vestiges datant de la formation de notre Système stellaire. Ils nous offrent une opportunité unique de comprendre la mécanique de formation d'un système planétaire habité, le Système Solaire. Une méthode de caractérisation de ces petits corps couramment utilisé est la spectroscopie en réflectance, qui permet à, depuis la Terre ou lors de missions spatiales, d'obtenir des informations sur la minéralogie de ces objets. L'objet de cette thèse est de participer à une meilleure compréhension de cette technique de caractérisation, ainsi que d'étudier, via les météorites, les processus d'altérations ayant modifiés la composition initiale. Pour ce faire nous avons utilisé différentes méthodes d'analyses sur des chondrites carbonées (qui proviennent d'astéroïdes primitifs) afin de caractériser leur chimie et leur minéralogie. Nous avons ainsi étudié les phases hydratées, la teneur en eau, la structure des silicates et l'état d'oxydation du fer de ces météorites. Toutes ces analyses combinées nous ont permis de mieux comprendre l'évolution de la minéralogie en fonction des processus d'altérations hydrothermaux. Ces études ont également permis d'apporter des contraintes quantitatives et qualitatives sur les caractéristiques contrôlant les spectres en réflectance de ces mêmes météorites. Nous avons étudié et comparé de nombreux paramètres entre eux pour permettre de quantifier l'eau et proposons celui qui nous semble le plus adapté pour quantifier les phases hydratés à la surface des petits corps sombres du Système Solaire. / Asteroids are relics from the early Solar System. Some of them are extremely primitive and can help in understanding the mechanic of Solar System formation, and ultimately the scenario that led to the formation of a habited planetary system. Reflectance spectroscopy is now a classical and useful method to analyze asteroid composition from the Earth or during space mission. In this PhD thesis, we tried to improve our understanding of the spectral properties of asteroids by looking at naturally delivered fragments, meteorites. We have used different analytical methods on carbonaceous chondrites (pieces of primitive asteroids) to characterized their chemical and mineralogical composition. We studied the nature of hydrated phases, water budget, phyllosilicate structures and the speciation of iron on these meteorites. All these analyses permit an improved understanding of the transformation of the mineralogy by parent body (asteroidal) alteration. Furthermore, these analyses provide quantitative and qualitative constraints to understand the factors controlling the reflectance measurement performed on the same meteorite. We compared different analytical parameters to quantify the water abundance and suggest a method to quantify hydrated phases on dark asteroids.

Les chondrites carbonées peuvent contenir jusqu'à 4% en masse de carbone, principalement présent sous la forme d'une fraction organique insoluble (MOI) enrichie en deutérium par rapport aux échantillons organiques terrestres. Cet enrichissement a été interprété comme la signature de processus interstellaires. La MOI est constituée d'unités aromatiques assez petites (de 2 à 3 cycles contigus) reliées entre elles par des chaînes aliphatiques courtes et ramifiées. La MOI d'Orgueil et de Murchison a été étudiée par des dégradations thermique et chimique, ainsi que par spectroscopie. Il apparaît à travers les données récoltées que les chaînes aliphatiques contiennent moins de 7 carbones et qu'elles sont très ramifiées. Par ailleurs, elles peuvent contenir des fonctions éther et ester. Ces chaînes peuvent lier deux ou trois unités aromatiques entre elles. Les chaînes aliphatiques non liantes (avec une extrémité libre) sont plus courtes: moins de 3 carbones. Les données acquises nous ont aussi permis de montrer que l'azote était contenu dans des hétérocycles. Cette observation, ainsi qu'une comparaison de données isotopiques, implique qu'il n'y a pas de lien génétique entre la MOI et les acides aminés présents dans la fraction soluble des météorites. Ceci n'exclut pas que d'autres classes de composés solubles puissent dériver de la MOI par altération hydrothermale sur le corps parent, ce qui indiquerait une origine complexe pour la fraction soluble. Le rapport isotopique D/H des briques élémentaires de la MOI d'Orgueil, obtenues par pyrolyse et dégradation chimique, a été interprété en considérant la macromolécule avant sa dégradation. Les résultats montrent que la MOI est un produit solaire et qu'elle s'est enrichie en D à la périphérie de la nébuleuse protosolaire sous des conditions proches du milieu interstellaire. Cette conclusion est majeure pour la MOI, qui a pu être la plus grosse partie de la matière organique abiotique sur la Terre primitive.

Les chondrites carbonées (CCs) sont des objets primitifs accrétés lors de la formation du Système Solaire. Composées en grande partie de chondres, de matrice et d'inclusions réfractaires, elles ont enregistré les hétérogénéités chimiques, isotopiques et minéralogiques de la nébuleuse solaire. Contrairement aux autres classes de chondrites, la grande majorité des CCs sont primitives (types pétrologiques 1 à 3). Elles n'ont donc pas subi de métamorphisme important sur leur corps parent. Toutefois, un groupe de CCs, les CKs, montre un métamorphisme thermique intense (types pétrologiques 4 à 6). Ces chondrites sont caractérisées par des matrices recristallisées, des olivines équilibrées à ∼Fa31, un degré d'oxydation important (olivines riches en NiO, rapport métal/magnétite proche de zéro), des teneurs en éléments réfractaires lithophiles intermédiaires aux CVs et aux COs, ou encore des compositions isotopiques en oxygène se situant dans le champ défini par les CVs et les COs. Les CKs ont été peu étudiées jusqu'au début des années 90, car peu nombreuses (seulement 210 classifiées au 6 décembre 2011) et de petite taille (masse médiane ∼33,5g). Leurs compositions isotopiques et chimiques laissent supposer l'existence d'un lien génétique avec les CV3. Les découvertes récentes de nouvelles CKs depuis 1990, et notamment de CK3 par le biais de collectes systématiques au Sahara et en Antarctique, permettent l'étude détaillée de l'évolution métamorphique des CKs, notamment à la transition 3-4. Ce travail a pour but de caractériser les conditions dans lesquelles s'est déroulé cet épisode métamorphique, et grâce à l'observation de plusieurs CK3-4, d'étudier la relation CV-CK. La caractérisation détaillée de l'évolution métamorphique de 19 CKs dont 5 CK3 a permis de confirmer que les différences observées entre les divers composants chondritiques (abondance, minéralogie, texture) des CVs et des CKs peuvent être expliquées par un épisode thermique secondaire de HT-BP (∼300-650°C) en conditions oxydantes (∼NNO). De plus, l'analyse de profils de diffusions dans les chondres des CKs indique des durées de métamorphisme intermédiaires à celles communément invoquées pour du choc (de quelques secondes à quelques jours) et pour la désintégration d'éléments à courte durée de vie (plusieurs millions d'années). Une série d'expériences réalisées en four 1 atmosphère avec contrôle de la fugacité d'oxygène nous a permis de reproduire les textures caractéristiques des CKs et d'obtenir une teneur en fer d'équilibre des olivines des CVs, valeur proche de celle mesurée dans les CKs. Cela semble donc confirmer que les CKs sont des CVs rééquilibrées. Par conséquent, la classification actuelle de ces chondrites en deux groupes distincts devrait être modifiée afin de rendre compte de l'existence de cette série métamorphique CV-CK continue. Nous proposons de considérer le chauffage radiatif comme cause possible du métamorphisme des CKs. Un modèle numérique nous a permis de confirmer que des météoroïdes carbonés avec des périhélies situés entre 0,07 et 0,15 UA peuvent être chauffés à des températures pouvant aller jusqu'à 780°C. Les tailles pré-atmosphériques estimées pour les CV-CK (de quelques centimètres à 2,5 mètres) sont compatibles avec ce type de processus. La fragmentation d'un corps parent homogène de type CV (possiblement l'astéroïde à l'origine de la famille d'Eos) pourrait former des météoroïdes qui, sous l'effet de phénomènes de résonances, seraient redirigés vers l'intérieur du Système Solaire et pourraient ainsi être métamorphisés par chauffage radiatif. Ce type de processus thermique secondaire n'étant efficace que pour de petits fragments d'astéroïdes, il ne doit pas être considéré comme un processus corps-parent stricto sensu.

La formation des planètes a laissé derrière elle des matériaux dont la nature primordiale a été préservée. Ces astéroïdes primitifs de la ceinture principale sont aujourd'hui échantillonnés par la diversité de météorites chondritiques dans nos collections qui nous permettent d'étudier les premiers instants du Système Solaire. Cependant, beaucoup d'entre elles présentent des traces d'altération hydrothermale qui ont modifié leur minéralogie, et ainsi occulté ces informations primordiales. Ce processus de modification de la roche via l'interaction avec un fluide a été grandement étudié au cours des dernières décennies, notamment dans les chondrites carbonées de type CM, dont la minéralogie témoigne de plusieurs épisodes d'altération dans différents degrés d'intensité. Comprendre l'évolution de l'eau ainsi que l'influence de ce processus sur la matière organique dans ces astéroïdes est essentiel du fait de leur éventuelle contribution à l'origine de la vie sur Terre. Afin de mieux contraindre les conditions géochimique et chronologique dans lesquelles est survenu ce processus, les travaux de cette thèse ont été focalisés sur les chondrites de type CM et les phases secondaires qu'ils contiennent. Des mesures in situ des isotopes de l'oxygène dans les carbonates des CM nous ont permis de développer une méthode d'estimation de leurs températures de précipitation. Nos résultats indiquent une gamme de températures bien plus étendue que celles estimées auparavant, s'étalant de -50 à environ 300 °C avec une température moyenne de 113 +/- 54°C (2σ). Afin d'approfondir notre étude des conditions géochimiques de l'altération nous avons conduit une étude détaillée de la chondrite de Boriskino. La texture atypique de cette chondrite, due à ses nombreux clastes aux frontières nettes et aux degrés d'altération variables, nous a permis d'explorer l'hypothèse d'un lien entre les processus à l'origine de la formation des brèches et l'altération hydrothermale. L'utilisation de notre nouvelle méthode sur les carbonates de cette chondrite a mis en évidence un rôle secondaire de la température dans l'intensité du processus d'altération. De plus, nos travaux suggèrent que les épisodes d'altération sont antérieurs à la formation du corps-parent final et que la quantité de glace initialement accrétée peut être le facteur dominant de l'efficacité du processus d'altération. Néanmoins cette hypothèse ne prend pas en compte l'influence que peut avoir la durée d'exposition de la roche au fluide. Afin de tester cette dernière hypothèse, notre dernier projet devait permettre d'estimer l'âge des carbonates dans des CM présentant différents degrés d'altération. La datation de ces objets repose sur la décroissance radioactive du radioisotope 53Mn en 53Cr. Cependant, l'absence de standards de carbonates adéquats pour ces mesures nous a conduit dans un premier temps à les synthétiser. Pour ce faire nous avons abordé le problème en nous éloignant des méthodes traditionnelles de précipitation de carbonates sur substrat ayant conduit à des minéraux très hétérogènes, et nous avons effectué nos synthèses à haute pression et haute température grâce à une presse piston-cylindre. / Chondrites are leftover solids from the evolution of the solar protoplanetary disk that enable for its primordial conditions to be studied. However, many chondrites have seen their mineralogy modified by the circulation of fluids during hydrothermal alteration events, thereby blurring the primordial informations retained in it. CM carbonaceous chondrites have been extensively studied, mainly because of the various episodes and extent of hydrothermal alteration they exhibit. The understanding of the evolution of water and the influence of alteration on organic matter in those asteroids is essential as they might be the source of life on Earth. In order to better understand the geochemical conditions and the chronology of this process in carbonaceous asteroids, we focused this project on CM chondrites and the secondary phases they contain. We developped a methodology to estimate the precipitation temperatures of carbonates in CM chondrites relying only on in situ measurements of their O-isotopic composition. Our results yield precipitation temperatures in a larger range than what has previsouly been estimated, i.e. from -50 to approximatively 300°C with an average temperature of 113 +/- 54°C (2σ). To further our study of the geochemical conditions of hydrothermal alteration we extensively studied the CM of Boriskino. The peculiar texture of this meteorite, due to its numerous clasts with sharp boundaries and their various degrees of aqueous alteration, enable to investigate the reccurent question of a genetic link between brecciation and aqueous alteration. Using the same methodology as in our first project we concluded that temperatures in which the process took place could not account for the various extent of aqueous alteration that we observe. In addition, Our work suggest that aqueous alteration in this chondrite was discontinuous and preceeded brecciationand that instead the initial quantity of accreted ice could be the controlling parameter of aqueous alteration. However, this study neglect the contribution of the duration of exposure of the rock to the fluid to the extent of aqueous alteration. Therefore, our last project was to determine the age of carbonates in several CM chondrites of various degrees of aqueous alteration. The datation of these minerals in chondrites relies on the radiochronometer 53Mn-53Cr. However, the lack of a suitable carbonate standard for these SIMS analyses pushed us to synthetize carbonates with the adequat cristallinity and chemical composition first. To do so, we experimentated at high pressure and high temperature using a piston-cylinder apparatus.

Les serpentines riches en fer sont des composants majeurs des chondrites CM. Formées au cours d'épisodes d'altération hydrothermale sur leur corps parent astéroïdal, à une étape précoce de la formation du Système Solaire, elles peuvent constituer un proxy des conditions d'altération de ces roches et permettre de mieux comprendre l'évolution à long terme des colis de stockage des déchets nucléaires, car ces processus sont considérés comme un bon analogue des interactions fer-argiles-eau. Pendant cette thèse, nous nous sommes intéressés aux conditions de formation et d'équilibre des ces minéraux, en prêtant une attention particulière à l'évolution de la valence du fer pendant l'altération. Trois approches sont présentées : la synthèse de Fe-serpentines, l'altération expérimentale d'assemblages chondritiques à basse température, en milieu anoxique, et l'affinement d'un modèle thermodynamique incluant des serpentines de composition Fe2+-Fe3+-Mg-Al-Si-O-H. Le modèle thermodynamique, basé sur des données expérimentales, devrait permettre de mieux prédire les assemblages à l'équilibre dans les chondrites altérées. Nos expériences de synthèses suggèrent que la précipitation de phases de composition proche du pôle pur cronstedtite est contrôlée cinétiquement. Aux premiers stades de l'altération expérimentale de minéraux primaires anhydres, nous avons observé la formation de phases peu cristallines avec une proportion relativement faible de fer ferrique. Nos résultats suggèrent que le rapport Fe/Si et la teneur en Fe3+ favorisent la précipitation des serpentines. Ils apportent un éclairage intéressant aux premiers stades d'altération dans les chondrites carbonées. / Iron-rich serpentines are major components of CM carbonaceous chondrites. They formed during early alteration events on their asteroidal parent bodies at an early stage of formation of the Solar System. The study of these minerals aims at better understanding the conditions in which they altered, but it would also help understanding the long term evolution of nuclear waste storage. Indeed, aqueous alteration in chondrites is considered as a good analog for iron-clay-water interactions. During this thesis, we studied the conditions of formation and stability of Fe-rich serpentines, and we paid particular attention to the evolution of the Fe valence state during alteration. Three approaches have been adopted : the synthesis of Fe-rich serpentines, the experimental alteration of chondritic assemblages at low temperature and under anoxygenic conditions, and the refinement of a themodynamic model of serpentines in the Fe2+-Fe3+-Mg-Al-Si-O-H system. This model, mostly refined using data from iron-clay experiments, gave encouraging results, and should allow to better predict equilibrium assemblages in altered chondrites. Out of equilibium processes were also experimentally explored, and our results suggest that there is a kinetic control of the precipitation of Fe-rich serpentines close to the ideal end-member. At the first stages of alteration of primary minerals under anoxic conditions, we observed poorly crystalline phases with a relatively low ferric iron content. Our result suggest that the Fe/Si ratio and the Fe3+ content favor the precipitation of serpentines. They provide interesting insight into the first stages of alteration in chondrites.

This study presents an analysis of the organic matter in meteorites, particularly carbonaceous chondrites (CCs), using advanced experimental techniques such as Two-step laser desorption laser ionization mass spectrometry (L2MS-oTOF) and Atmospheric Pressure Photoionization-Orbitrap (APPI-Orbitrap). The analysis focuses on the molecular complexity of both soluble (SOM) and insoluble (IOM) organic matter as well as the bulk rock and identifying and classifying different molecular families to understand the chemical composition of the meteorites. A new software tool, SpectraC, was developed to aid in analysing and comparing mass spectra from multiple meteorite samples simultaneously. The findings of the study reveal the complex chemical composition of meteorites, with condensed aromatics dominating most samples, and highlight the importance of using multiple techniques for a more complete understanding of the sample’s contents. This research lays the foundation for future work in astrochemistry, including the development of a state-of-the-art analytical tool and further exploration of the organic matter in meteorites. / Cette étude présente une analyse de la matière organique dans les météorites, en particulier les chondrites carbonées (CC), en utilisant des techniques expérimentales avancées telles que la spectrométrie de masse à ionisation laser par désorption en deux étapes (L2MS-oTOF) et l’ionisation photochimique à pression atmosphérique-Orbitrap  (APPI-Orbitrap). L’analyse se concentre sur la complexité moléculaire de la matière organique soluble (SOM) et insoluble (IOM) ainsi que sur la roche globale, et identifie et classe différentes familles moléculaires pour comprendre la composition chimique des météorites. Un nouvel outil logiciel, SpectraC, a été développé pour aider à analyser et comparer les spectres de masse de plusieurs échantillons de météorites simultanément. Les résultats de l’étude révèlent la composition chimique complexe des météorites, avec une domination des aromatiques condensés dans la plupart des échantillons, et mettent en évidence l’importance d’utiliser plusieurs techniques pour une compréhension plus complète du contenu des échantillons. Cette recherche pose les bases des travaux futurs en astrochimie, y compris le développement d’outils analytiques de pointe et l’exploration plus poussée de la matière organique dans les météorites.