No description available.

The writer has measured the isotopic composition of gadolinium, europium and samarium in the Abee meteorite and in two terrestrial ores. Gd, Eu and Sm have large thermal neutron capture cross sections; they may therefore be used to reveal differences in the irradiation histories of samples containing trace amounts of these elements. It is widely believed that the contracting protosun passed through a phase of high energy particle radiation during the early history of the solar system. The interaction of these particles with the material of the solar nebula may have produced a large thermal neutron flux. The Abee enstatite chondrite is representative of the most highly reduced class of chondritic meteorites. The chondrites are stones which are thought to be very primitive material of the solar system. Mason, Miyashiro and others have proposed that variations in the oxidation state of chondrites result from their formation in different regions of the nebula: the enstatite chondrites represent material which was derived from the hot inner region of the solar nebula, while the highly oxidized carbonaceous chondrites had their origin in the cooler, outer region. On the basis of this theory, the earth was probably derived from an intermediate region of the nebula. Isotopic analyses were performed on microgram quantities of Gd, Eu and Sm. A precision of 0.02-0.2% (at the 95% confidence level) was achieved for all isotopic ratios of interest. Prior to 1970 the best published isotopic analyses of these elements had a precision of 1-2%. The higher precision reported here was made possible through improvements in the mass spectrometer ion optics and the use of digital recording of mass spectra. This work is comparable to recent meteorite analyses on Gd by Eugster, Tera, Burnett and Wasserburg at the California Institute of Technology, although their lunar analyses were of superior quality and had a precision of 0.01%. No significant Gd, Eu or Sm isotopic anomalies were observed for the Abee and terrestrial samples. The Gd¹⁵⁷/Gd¹⁵⁸ ratio, which is the most sensitive to neutron irradiation, was identical for the three samples studied within 0.1%. This places an upper limit of 3 x 10¹⁵ neutrons/cm² for the differential irradiation of the source material from which the earth and the Abee meteorite were derived. A similar conclusion was reported by the Caltech group. The absence of any anomalies may be attributed to uniform irradiation and dilution of the source material, efficient shielding inside large planetary bodies during the irradiation phase, the absence of an intense irradiation phase, or a common spatial origin within the solar nebula for chondritic and terrestrial matter. / Science, Faculty of / Earth, Ocean and Atmospheric Sciences, Department of / Graduate

Ion-exchange equilibria between a 2molal aqueous Mg-Fe chloride solution and synthetic olivines, orthopyroxenes, orthoamphiboles and talcs have been experimentally bracketed between 450° and 800°C and between 1 and 4kb. Additional experiments at lower chloride molalities reveal that the distribution coefficient measured is dependent upon chloride concentration. Thermodynamic modelling of the chloride solution, assuming ideal mixing of Mg and Fe species, qualitatively reproduces this behavior if the Mg and Fe species have contrasting dissociation constants. Internally consistent thermodynamic properties of all four minerals and the 'delta' properties of a hypothetical associated electrolyte solution are calculated through a combination of linear programming and least-squares optimization while simultaneously considering constraints provided by calorimetry, net-transfer equilibria and other ion-exchange data. Adequate correspondence between thermodynamic model and the data cannot be attained without allowing the mixing of Mg and Fe in the chloride solution to be non-ideal. Qualitative constraints on the chloride 'excess' properties allow a preliminary estimate of the solid solution properties to be made. All solid solutions are modelled with a symmetric Margules formulation. The resulting olivine WG function has a value near 7kJ at 400°C and drops asymptotically toward zero at high temperatures. The orthopyroxene WG is approximately zero at 400°C and drops toward -3kJ at high temperatures. A 'microscopic' orthopyroxene solution model is formulated to be simultaneously consistent with this bulk excess free energy and with measured M1-M2 site distributions. The single WG value (0.58kJ) calculated for the anthophyllite solid solution is qualitatively consistent with fractionation of Fe into M4. The talc solid solution cannot be constrained to be different from ideal by the data presented here. At present, ion-exchange experiments with Mg-Fe chloride solutions can only be used to compare mineral properties due to uncertainties in dissociation constants and 'excess' properties for the aqueous solution. The role of such uncertainties in the data analysis indicates that solid solution properties derived from previous aqueous chloride ion-exchange experiments must be considered suspect until the properties of each pertinent aqueous electrolyte solution have been examined. / Science, Faculty of / Earth, Ocean and Atmospheric Sciences, Department of / Graduate

Undergraduate honors paper--Mount Holyoke College, 2006. Dept. of Astronomy. / Includes bibliographical references (42-44 leaves ).

abstract: Earthquake faulting and the dynamics of subducting lithosphere are among the frontiers of geophysics. Exploring the nature, cause, and implications of geophysical phenomena requires multidisciplinary investigations focused at a range of spatial scales. Within this dissertation, I present studies of micro-scale processes using observational seismology and experimental mineral physics to provide important constraints on models for a range of large-scale geophysical phenomena within the crust and mantle. The Great Basin (GB) in the western U.S. is part of the diffuse North American-Pacific plate boundary. The interior of the GB occasionally produces large earthquakes, yet the current distribution of regional seismic networks poorly samples it. The EarthScope USArray Transportable Array provides unprecedented station density and data quality for the central GB. I use this dataset to develop an earthquake catalog for the region that is complete to M 1.5. The catalog contains small-magnitude seismicity throughout the interior of the GB. The spatial distribution of earthquakes is consistent with recent regional geodetic studies, confirming that the interior of the GB is actively deforming everywhere and all the time. Additionally, improved event detection thresholds reveal that swarms of temporally-clustered repeating earthquakes occur throughout the GB. The swarms are not associated with active volcanism or other swarm triggering mechanisms, and therefore, may represent a common fault behavior. Enstatite (Mg,Fe)SiO3 is the second most abundant mineral within subducting lithosphere. Previous studies suggest that metastable enstatite within subducting slabs may persist to the base of the mantle transition zone (MTZ) before transforming to high-pressure polymorphs. The metastable persistence of enstatite has been proposed as a potential cause for both deep-focus earthquakes and the stagnation of slabs at the base of the MTZ. I show that natural Al- and Fe-bearing enstatite reacts more readily than previous studies and by multiple transformation mechanisms at conditions as low as 1200°C and 18 GPa. Metastable enstatite is thus unlikely to survive to the base of the MTZ. Additionally, coherent growth of akimotoite and other high-pressure phases along polysynthetic twin boundaries provides a mechanism for the inheritance of crystallographic preferred orientation from previously deformed enstatite-bearing rocks within subducting slabs. / Dissertation/Thesis / Great Basin Seismicity from 2004 to 2013 (event data) / Great Basin Seismicity from 2004 to 2013 (Google Earth) / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2015

Dans un premier temps, nous avons synthétisé et caractérisé une chondrite à enstatite reconstituée. En étudiant cet objet, nous avons pu identifier et comprendre le signal Raman des sulfures présents dans les météorites à enstatite. La réponse Raman de ces phases est obtenue via l'activation des modes infra-rouge suite à une modification de la symétrie dans le réseau cristallin. Dans un second temps, nous avons utilise cet analogue pour comprendre le processus de bio-alteration des chondrites à enstatite dans les conditions terrestres actuelles, donc en aérobiose. Afin de bien comprendre ce phénomène de bio altération sur ce matériau complexe, il a été indispensable d'étudier ce mécanisme sur chacune des phases présentes dans celui-ci. Ainsi l'analogue de chondrite à enstatite, l'enstatite, la troilite, l'alliage Fe-Si et aussi de l'olivine ont été altérés abiotiquement et bio altérés par les souches Acidithiobacillus ferrooxidans et Acidithiobacillus thiooxidans, ¨¤ pH ¡Ö 2 ¨¤ T = 20¡ãC. Cette étude a permis d'obtenir et d'interpréter à l'échelle de la microscopie électronique à balayage les principales phases et microstructures qui se développent lors de l'altération abiotique ou biologique d'une chondrite à enstatite. En parallèle, des mesures régulières de la chimie du milieu aqueux ont permis d'étudier la cinétique de lixiviation de ces expériences de bio-alteration et de la comparer à une modélisation thermodynamique et cinétique, que nous avons effectué avec le programme Jchess. Nos résultats montrent qu'en opposition avec ce qui a été observe sur les phases séparées, les cinétiques de dissolution sont très différentes lorsque les différentes phases sont associées dans l'analogue de chondrite à enstatite : la troilite se dissout bien plus lentement que dans les expériences sur phases séparées alors que l'enstatite se dissout plus vite. La dissolution plus lente de la troilite est attribuée à la présence de monosulfures très solubles dans le matériau de départ. Ces observations pourront être utilisées pour modéliser et interpréter l'évolution d'une chondrite à enstatite à la surface de la Terre et, au delà, de matériaux réduits associant métaux, sulfures et silicates. Les chondrites à enstatite constituent un substrat approprié pour les deux souches bactériennes étudiées qui, en présence de cet assemblage minéral, ont montré de l'activité biologique, en particulier la formation de biofilms, et ont accéléré les vitesses de dissolution / The aim of this study is to investigate the mineralogical and chemical processes which take place during the bioweathering of an enstatite chondrite by bacteria. Synthetic enstatite chondrites were made in laboratory in order to begin this complex study with simplified and well-defined materials. These analogs were shown to contain the major phases of enstatite chondrites: enstatite, Si-rich kamacite, troilite and unusual sulfides such as oldhamite or niningerite. First, the Raman study of this analog allowed to identify and understand the specific Raman signal of sulphides present in enstatite meteorites. The Raman signal of these phases is explained by infrared activation due to a symmetry modification in the crystal lattice. Then, in order to better understand the aqueous alteration of enstatite chondrites, each major phase and olivine were separately submitted to aqueous and aerobic alteration with or without Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans at pH ¡Ö 2 ¨¤ T = 20¡ãC. All experiments were characterized before and after alteration using scanning electron microscopy. Regular measurements og the chemistry of the aqueous medium were used to study the kinetics of leaching experiments of bio-alteration and compared to thermodynamic and kinetic modeling with JChess. Our results show that contrary to the observations on the separate phases, the dissolution kinetics are very different when the whole phases are associated in the enstatite chondrite analogue: troilite dissolves more slowly than in experiments on separate phases while enstatite dissolves faster. The slower dissolution of troilite is ascribed to the presence of oldhamite and niningerite in the starting material. These observations will be useful to understand and model the evolution of enstatite chondrites at the surface of the Earth and, beyond that, of reduced assemblages containing metals, sulphides and silicates. Enstatite chondrites are shown to be an appropriate substrate for the two bacterial strains which have shown biological activity, especially by the formation of biofilms and which have accelerated the dissolution kinetics

Les chondrites à enstatite partagent un réservoir commun de l’isotope de l’oxygène avec la Terre et la Lune. Cette caractéristique soulève la question d’une possible participation de ce type de météorites à la construction de la Terre. Egalement, l’étude des chondrites à enstatite permet d’apporter de nouvelles contraintes pour comprendre plus en détail l’histoire de la différenciation de petits corps planétaires soumis à des conditions réductrices. La première étude expérimentale systématique à haute pression et haute température d’une chondrite à enstatite a ainsi été mise en oeuvre, entre 1 et 25 GPa, et entre 1200°C et 2500°C, couvrant ainsi les conditions de pression et de température du manteau supérieur terrestre. La météorite qui a été choisie pour cette étude s’appelle Indarch. Il s’agit d’une chondrite à enstatite de type EH4. A 1 GPa, l’effet de la fO2 sur les relations de phases de la météorite, ainsi que sur les coefficients de partage entre métal et silicate liquide des éléments S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo est étudié spécifiquement. Les phases silicatées et métalliques subissent de grands changements lorsque la fO2 varie de IW-1.5 à IW-4.5. Des monosulfures contenant les éléments (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr) sont présents aux fO2 les plus réduites. La phase métallique de nos échantillons est toujours liquide et comprend deux phases immiscibles riches en fer : l’une pauvre en S et riche en C, et l’autre riche en S et pauvre en C. La phase riche en C est également riche en Si aux fO2 les plus réduites. Les relations de phases d’Indarch ont été déterminées entre 3 et 25 GPa, et entre 1500°C et 2500°C, nous permettant de proposer le premier diagramme de phases en pression et température pour une chondrite à enstatite. La phase métallique est toujours liquide et il s’agit d’un alliage Fe-Ni-S à ces plus hautes pressions. La formation d’un noyau planétaire à basse pression (0 à 5 GPa) sous des conditions très réductrices ne peut expliquer les appauvrissements observés de S dans les manteaux silicatés alors que plusieurs wt% de Si pourront être piégés dans le noyau. En revanche, à plus haute pression, l’incorporation de S dans le noyau sera facilitée sous des conditions plus oxydantes. Finalement, notre étude permet de proposer un modèle d’évolution d’un matériau chondritique en cours d’accrétion sous des conditions rédox variables / Enstatite chondrites share a common oxygen reservoir with Earth and Moon. This suggests that these meteorites may have participated to the building of the planet Earth. Studying enstatite chondrites will bring constraints for a better understanding of the differentiation history of planetesimals under reducing conditions. Thus, this is the first systematic study at HP-HT of an enstatite chondrite between 1 and 25 GPa, and between 1200°C et 2500°C, covering the pressure and temperature conditions of the terrestrial upper mantle. The meteorite, which was chosen for this study, is named Indarch. It is an enstatite chondrite, type EH4. At 1 GPa, the effect of the fO2 on the phase relations of the meteorite, as well as on the partitioning behavior between liquid metal and liquid of S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo is studied. Silicate and metallic phases undergo significant changes while the fO2 varies from IW-1.5 to IW-4.5. (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr)-bearing monosulfides are observed at the lowest fO2’s. The me-tallic phase in our samples is always liquid and comprises of two immiscible Fe-rich phases : one S-poor and C-rich, and the other S-rich and C-poor. The C-rich phase is also rich in Si at the most reduced fO2’s. Between 3 and 25 GPa, 1500°C and 2500°C, the phase relations of Indarch have been inquired and allow us to present the first P-T phase diagram for an enstatite chondrite. The metallic phase is always liquid, and at these high pressures, it is a Fe-Ni-S alloy. The observed depletions of S in silicate mantles cannot be explained by a core formation at low pressure (0 à 5 GPa) under reducing conditions, however several wt% of Si could be trapped in the core. At higher pressure, more oxidized conditions will facilitate S incorporation in the core. Final-ly, our study proposes a model of evolution of an accreting chondritic material under variable redox conditions

Les abondances en éléments sidérophiles du manteau terrestre indiquent une ségrégation du noyau dans un océan magmatique profond. Il est néanmoins difficile de contraindre les conditions d’oxydation prévalant lors de l’accrétion planétaire, en se basant sur les traceurs géochimiques, en raison du nombre important de paramètres qui affectent leurs partages entre métal et silicate. D’autre part, l’état d’oxydation des planètes peut évoluer au cours de l’accrétion. Par conséquent, la nature des matériaux accrétés lors de la formation des planètes reste incertaine. Afin d’apporter de nouveaux éléments de réponses à cette problématique, nous avons modélisé les équilibres chimiques ayant lieu dans la Terre primitive. Ces équilibres peuvent évoluer (i) en augmentant les conditions de pression et de température de la ségrégation du noyau lors de la croissance de la planète, (ii) en raison de la cristallisation de l’océan magmatique et (iii) à travers l’accrétion de matériaux hétérogènes de compositions et états redox différents. Nous avons exploré le rôle potentiel de l’érosion collisionnelle dans le contexte de l’accrétion de la Terre à partir de chondrites à enstatite. Pour cela, nous avons déterminé expérimentalement les compositions chimiques des liquides pseudo-eutectiques en fonction de la pression jusqu’à 25 GPa. Nous avons montré que ces premiers liquides sont très enrichis en SiO2 (jusqu’à 75 wt% SiO2) et en éléments alcalins (Na et K). Par conséquent, l’érosion collisionnelle de proto-croutes de planétésimaux formés de chondrites EH peut de manière efficace augmenter le rapport final Mg/Si du manteau terrestre et réduire ses concentrations en éléments alcalins volatils. Ce mécanisme peut donc concilier les différences compositionnelles entre la Terre et les chondrites à enstatite. Nous avons également déterminé expérimentalement le partage du soufre entre métal riche en fer et silicate. La concentration en soufre du manteau terrestre peut être expliquée par un équilibre entre manteau et noyau dans un océan magmatique profond. L’hypothèse de l’ajout de soufre dans un vernis tardif (Rose-Weston et al., 2009) n’est pas à exclure, mais il n’est pas indispensable pour atteindre la concentration en soufre du manteau. Ces résultats sont en accord avec les compositions isotopiques non chondritiques du soufre dans le manteau (Labidi et al., 2013). Le partage des éléments légers (S, Si, O) entre manteau et noyau a été modélisé à hautes pressions et températures en prenant compte de leurs interactions chimiques mutuelles et celles avec le carbone. En considérant 2 wt% S et jusqu’à 1.2 wt% C (comme il est suggéré par les études cosmochimiques), nous trouvons une solubilité de l’O comprise entre 1 et 2.4 wt%. Cette insertion de l’O dans le noyau n’est pas suffisante pour permettre à la Terre d’être à la fois accrétée de matériaux météoritiques oxydés et de posséder un noyau métallique d’une masse équivalente au tiers de la planète ainsi que 8 wt% FeO dans le manteau. Des conditions relativement réduites lors de la ségrégation du noyau sont également requises pour augmenter le taux de Si dans le noyau et expliquer le rapport Mg/Si super-chondritique de la Terre silicatée (Allègre et al., 1995; O’Neill et al. 1998). Ainsi, la Terre s’est plus probablement accrétée à partir de matériaux réduits comme les chondrites à enstatites, conduisant à un noyau constitué de 2 wt% S, 0 à 1.2 wt% C, 1 wt% O et 5.5 à 7 wt% Si. Nous avons également exploré le comportement du Fe lors de la cristallisation de la pérovskite magnésienne (le minéral le plus abondant du manteau terrestre) et son rôle sur l’état redox du manteau terrestre lors du refroidissement de l’océan magmatique. Nous avons montré que sa cristallisation induit une diminution du FeO dans le manteau solide, lors d’un équilibre avec un alliage de fer liquide à une fO2 de IW-2 en raison du caractère incompatible du Fe dans la pérovskite. (...) / Abundances of siderophile elements in the mantle indicate that the Earth’s core segregated in a deep magma ocean. Yet, it is unfortunately difficult to constrain the oxidation conditions prevailing during planetary accretion based on geochemical tracers due to the number of parameters playing a role in metalsilicate partitioning. In addition, the oxidation state of terrestrial planets can evolve during accretion. The nature of the accreted material during the formation of the terrestrial planets remains then still uncertain. Our strategy to improve our knowledge in this domain is to model the chemical equilibria taking place in the primitive Earth. The equilibria can evolve (i) as P-T conditions of core-mantle segregation increase with the size of the planet, (ii) due to crystallization of the magma ocean and (iii) with accretion of heterogeneous material of different composition and oxidation state. We explored the potential role of collisional erosion in the context of Earth’s accretion from Enstatite Chondrites. For this, we refined experimentally the chemical composition of pseudo-eutectic melts as a function of pressure up to 25 GPa. We show that the first melts are highly enriched in SiO2 (up to 75 wt% SiO2) and alkali elements (Na and K). Therefore, collisional erosion of proto-crusts on EH-planetesimals can efficiently increase their final Mg/Si ratio and decrease their alkali elements budget. It can help to reconcile compositional differences between bulk silicate Earth and Enstatite Chondrites. We performed new experiments on metal-silicate partitioning of sulphur. We show that the present-day sulphur concentration of the Earth’s mantle can be explained by core-mantle equilibration in a deep magma ocean. S-addition in a late veneer (Rose-Weston et al., 2009) cannot be excluded; however, it is not required in order to reach the S-mantel abundance. Our results are consistent with the non-chondritic S-isotopic nature of the mantle (Labidi et al., 2013). We modeled the core-mantle partitioning of the light elements (S, Si, O) at high pressures and temperatures, by taking into account of their mutual chemical interactions and that with C. With 2 wt% S in the core and a C concentration ranging 0 to 1.2 wt% (as evidenced with cosmochemical studies), we found the O solubility from 1 to 2.4 wt%. This O incorporation to the core is insufficient to both allow an Earth accretion from an oxidized meteoritic material and result in a planet composed of a core with a mass equivalent to the third of its mass and a mantle with 8 wt% FeO content. Reduced conditions during coremantle segregation are also required to enhance the Si content in the core, possibly up to 5 wt% Si, to explain the super chondritic Mg/Si of the bulk silicated Earth (Allègre et al., 1995; O’Neill et al. 1998). Altogether, we find that the Earth was most likely accreted from a reduced material, such as enstatite chondrites, leading to a core composed of 2 wt% S, 0 to 1.1 wt% C, 1 wt% O and 5.5 to 7 wt% Si. We investigated the role of Mg-perovskite (the most abundant mineral of the mantle) crystallization on the oxidation state of Earth’s mantle during cooling of the magma ocean. We show that its crystallization induces a decrease of FeO content of the solid mantle as Fe is incompatible in perovskite, when it is in equilibrium with a liquid Fe-alloy at an fO2 of IW-2. At these conditions, the Fe3+ insertion is also low and constant (Fe3+/ Fetot of 21 ±4 %). Hence, the Mg-Pv crystallization cannot be responsible for a substantial increase of the Earth’s mantle oxygen fugacity during core segregation. (...)

La Terre contient une quantité significative d’eau et son manteau est très oxydé par rapport aux conditions canoniques de la nébuleuse solaire, ce qui est contradictoire avec l’existence de son noyau métallique et sa position dans le Système solaire. Ceci implique que l’état rédox de la Terre ait augmenté au début de son histoire. Aujourd’hui, de nombreuses études suggèrent que cette évolution se soit faite à travers une accrétion hétérogène. Ainsi les premières briques élémentaires de notre planète seraient constituées de matériel très réduit et une grande partie de la différenciation précoce (extraction du noyau et différenciation silicatée) se seraient donc déroulées en conditions très réductrices (entre IW-5.5 et IW-2). L’objectif de cette thèse est de mesurer l’impact de ces conditions sur le comportement des terres rares (REE) et des éléments fortement chargés (HSFE), et de modéliser leur répartition dans les différents réservoirs lors de la différenciation précoce de la Terre. Nous réalisons une soixantaine d’expériences de fusion – cristallisation à l’équilibre de matériel chondritique à basse (5 GPa) et haute (26 GPa) pression, dans une gamme de conditions rédox allant de IW (tampon fer – wüstite) à IW-8. Afin de caractériser le paramètre fO 2 dans ces conditions extrêmes, nous développons un formalisme thermodynamique adapté, basé sur l’équilibre Si-SiO 2 . En analysant les différentes phases à l’équilibre dans les différents échantillons, nous calculons et établissons la première banque de données de partage cristal (enstatite, bridgmanite = pérovskite silicatée, majorite) – liquide silicaté, métal-silicate et sulfure-silicate pour les HFSE et les REE en conditions très réductrices. Grâce aux données enstatite – liquide nous développons un proxy de la fO 2 , basé sur le rapport D(Cr)/D(V) et grâce auquel nous mesurons la fO 2 de chondres de type I comme étant similaires aux conditions canoniques de la nébuleuse (IW-7). Nos données de partage métal – silicate prouvent que l’extraction du noyau terrestre n’est pas à l’origine d’un fractionnement des terres rares. Au contraire, en mesurant pour la première fois le spectre XANES du Nb 2+ et du Ta 3+ dans des verres silicatés à des teneurs de l’ordre du ppm, nous prouvons que le comportement de Nb et Ta est contrôlé par la fO 2 . En intégrant nos données de partage à un modèle d’accrétion hétérogène nous montrons que la signature sous-chondritique en Nb/Ta de la Terre silicatée peut être le résultat de l’accrétion d’un matériel chondritique évoluant avec le temps combinée à l’extraction du noyau en conditions réductrices, ce qui réfute l’hypothèse d’une Terre se formant à partir d’un matériel oxydé. Nos expériences de haute pression montrent que le partage des REE et des HFSE dans la majorite et la bridgmanite est très sensible à la fO 2. De plus, le processus de dismutation du fer, invoqué pour expliquer l’augmentation de la fO 2 du manteau lors de la cristallisation de l’océan magmatique, ne semble pas être un mécanisme efficace en-dessous de IW. Enfin, nos données montrent que Ti, V, Cr, Mn, Nb et Ta sont chalcophiles en conditions très réductrices. L’extraction précoce d’un liquide sulfuré dans ces conditions a donc pu modifier les rapports élémentaires supposés chondritiques dans la Terre silicatée. L’extraction d’une importante quantité de FeS pourrait aussi être à l’origine d’un découplage Zr/Hf. / The Earth contains significant amounts of water and its mantle is highly oxidized compared to the solar nebula canonical conditions, which is inconsistent with the existence of its metallic core and its location in the Solar System. This implies the redox state of the Earth has increased during its early history as suggested in heterogeneous accretion models. Thus, the first building blocks of our planet would have been made of highly reduced material, and the early Earth’s differentiation (core extraction and silicate differentiation) would have taken place under highly reducing conditions (between IW-5.5 and IW-2). The aim of this thesis is to measure the impact of these conditions on rare earth elements (REE) and high field strength elements (HFSE) behavior, and model their distribution into the main reservoirs formed early in Earth’s history. We run about sixteen melting – crystallization experiments, starting from chondritic material and equilibrating it at low (5 GPa) and high (26 GPa) pressure, spanning a redox range going from IW (iron – wüstite buffer) to IW-8. In order to characterize the fO 2 parameter in these extreme conditions, we develop an adapted thermodynamic formalism, based on Si-SiO 2 equilibrium. Analyzing the various equilibrated phases within our experimental samples, we calculate and propose the first crystal (enstatite, bridgmanite = Mg-perovskite, majorite) – silicate liquid, metal – silicate, sulfide – silicate partition coefficients database for HFSE and REE under highly reducing conditions. Using our enstatite-liquid data we develop a fO 2 proxy based on D(Cr)/D(V) ratio and we measure type I chondrule fO 2 as being similar to canonical nebular conditions (IW-7). Our metal-silicate partitioning data prove that Earth core extraction is not responsible for REE fractionation. On the contrary, recording for the first time Nb 2+ and Ta 3+ XANES spectra in silicate glasses and at ppm level concentrations, we prove that Nb and Ta behavior is mainly controlled by fO 2 . Using our partitioning data in a heterogeneous accretion model, we show that sub-chondritic Nb/Ta signature of the silicate Earth (14 ± 0.3) can be the result of the accretion of chondritic material changing with time, combined with the progressive extraction of the core in reducing conditions. This refutes the hypothesis of an oxidized material building the Earth. Our high-pressure experiments show that REE and HFSE partitioning in majorite and bridgmanite is very sensitive to fO 2 . Moreover, iron dismutation process, invoked to explain mantle fO 2 increase during magma ocean crystallization, does not seem to be an efficient mechanism below IW. Finally, our data show that Ti, V, Cr, Mn, Nb and Ta are chalcophiles under highly reducing conditions. Consequently, early extraction of a sulfide melt at an early and reduced stage could have modified chondritic elementary ratios in the silicate Earth. Extraction of a substantial amount of FeS may also cause a Zr/Hf decoupling.

Les chondrites à enstatite partagent un réservoir commun de l'isotope de l'oxygène avec la Terre et la Lune. Cette caractéristique soulève la question d'une possible participation de ce type de météorites à la construction de la Terre. Egalement, l'étude des chondrites à enstatite permet d'apporter de nouvelles contraintes pour comprendre plus en détail l'histoire de la différenciation de petits corps planétaires soumis à des conditions réductrices. La première étude expérimentale systématique à haute pression et haute température d'une chondrite à enstatite a ainsi été mise en oeuvre, entre 1 et 25 GPa, et entre 1200°C et 2500°C, couvrant ainsi les conditions de pression et de température du manteau supérieur terrestre. La météorite qui a été choisie pour cette étude s'appelle Indarch. Il s'agit d'une chondrite à enstatite de type EH4. A 1 GPa, l'effet de la fO2 sur les relations de phases de la météorite, ainsi que sur les coefficients de partage entre métal et silicate liquide des éléments S, Si, Cr, Mn, Ni, et Mo est étudié spécifiquement. Les phases silicatées et métalliques subissent de grands changements lorsque la fO2 varie de IW-1.5 à IW-4.5. Des monosulfures contenant les éléments (Fe, Mg, Mn, Ca, Cr) sont présents aux fO2 les plus réduites. La phase métallique de nos échantillons est toujours liquide et comprend deux phases immiscibles riches en fer : l'une pauvre en S et riche en C, et l'autre riche en S et pauvre en C. La phase riche en C est également riche en Si aux fO2 les plus réduites. Les relations de phases d'Indarch ont été déterminées entre 3 et 25 GPa, et entre 1500°C et 2500°C, nous permettant de proposer le premier diagramme de phases en pression et température pour une chondrite à enstatite. La phase métallique est toujours liquide et il s'agit d'un alliage Fe-Ni-S à ces plus hautes pressions. La formation d'un noyau planétaire à basse pression (0 à 5 GPa) sous des conditions très réductrices ne peut expliquer les appauvrissements observés de S dans les manteaux silicatés alors que plusieurs wt% de Si pourront être piégés dans le noyau. En revanche, à plus haute pression, l'incorporation de S dans le noyau sera facilitée sous des conditions plus oxydantes. Finalement, notre étude permet de proposer un modèle d'évolution d'un matériau chondritique en cours d'accrétion sous des conditions rédox variables