abstract: Affect is a domain of psychology that includes attitudes, emotions, interests, and values. My own affect influenced the choice of topics for my dissertation. After examining asteroid interiors and the Moon’s thermal evolution, I discuss the role of affect in online science education. I begin with asteroids, which are collections of smaller objects held together by gravity and possibly cohesion. These “rubble-pile” objects may experience the Brazil Nut Effect (BNE). When a collection of particles of similar densities, but of different sizes, is shaken, smaller particles will move parallel to the local gravity vector while larger objects will do the opposite. Thus, when asteroids are shaken by impacts, they may experience the BNE as possibly evidenced by large boulders seen on their surfaces. I found while the BNE is plausible on asteroids, it is confined to only the outer layers. The Moon, which formed with a Lunar Magma Ocean (LMO), is the next topic of this work. The LMO is due to the Moon forming rapidly after a giant impact between the proto-Earth and another planetary body. The first 80% of the LMO solidified rapidly at which point a floatation crust formed and slowed solidification of the remaining LMO. Impact bombardment during this cooling process, while an important component, has not been studied in detail. Impacts considered here are from debris generated during the formation of the Moon. I developed a thermal model that incorporates impacts and find that impacts may have either expedited or delayed LMO solidification. Finally, I return to affect to consider the differences in attitudes towards science between students enrolled in fully-online degree programs and those enrolled in traditional, in-person degree programs. I analyzed pre- and post-course survey data from the online astrobiology course Habitable Worlds. Unlike their traditional program counterparts, students enrolled in online programs started the course with better attitudes towards science and also further changed towards more positive attitudes during the course. Along with important conclusions in three research fields, this work aims to demonstrate the importance of affect in both scientific research and science education. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2017

La détermination du partage des éléments sidérophiles et volatils entre métal et silicates aux conditions du manteau profond de la Terre primitive peut fournir des contraintes relatives au mécanisme de formation du noyau terrestre. Des expériences ont été réalisées dans des cellules à enclumes de diamant (DAC) chauffées par laser afin d'étudier l'évolution du partage métal-silicate du soufre et du platine à haute température et haute pression. Le partage est déterminé grâce à la mesure sur échantillons trempés des concentrations par NanoSIMS et sonde électronique. L’affinité du soufre avec le métal, mesurée aux conditions de formation du noyau terrestre, est moins grande qu’attendue. En accord avec les observables cosmochimiques (météorites), il semble que la quantité de soufre dans le noyau ne peut excéder 2 poids%. Les modèles d’accrétion de la Terre, combinés à nos mesures du coefficient de partage du soufre en fonction de la pression et la température, indiquent que la concentration globale de soufre du manteau terrestre doit être le résultat d'une accrétion hétérogène. Ces données indiquent également un apport tardif des éléments volatils au cours de l’accrétion et de la formation du noyau. Les valeurs de partage du platine suggèrent que son abondance dans le manteau terrestre peut être expliquée simplement par la formation du noyau. De manière générale, ces résultats supportent les hypothèses selon lesquelles les noyaux des gros impacteurs n’ont pas pu s’équilibrer entièrement avec le manteau terrestre. Certaines fractions métalliques ont donc pu atteindre le noyau terrestre sans affecter le manteau. L’hypothèse d’un évènement tardif de ségrégation de sulfure durant la formation de la terre pourrait aussi expliquer les compositions du manteau terrestre observées. Ces résultats permettent de caractériser les processus de différenciation du manteau et du noyau et de mieux comprendre la formation de la Terre. / Measurements of the metal-silicate partitioning behavior of siderophile and volatile elements at the conditions of the deep primitive Earth can provide constraints on the mechanisms of terrestrial core formation. Experiments were conducted in a laser-heated diamond anvil cell to investigate the metal-silicate partitioning of sulfur and platinum at high pressures and temperatures. The partitioning behaviors were quantified post-experiment by high resolution NanoSIMS imaging. Sulfur was found to be moderately siderophile at core formation conditions and this, together with cosmochemical estimates, argue that it cannot be a major light element in the core. Accretion modeling with this new partitioning data implies that a heterogeneous accretion scenario can best explain the mantle and bulk Earth sulfur contents. The measured partitioning values for platinum are such that the mantle's platinum abundance can be sufficiently explained by core-mantle equilibration. Overall these results support the hypothesis that the cores of large impactors did not equilibrate fully with the magma ocean and metal could have sequestered to the Earth's core without leaving a record in the mantle. A late sulfide segregation event also likely played a role in establishing the observed mantle compositions. These findings help to further elucidate the accretion history of the Earth and core-mantle differentiation processes.

Les planètes rocheuses achèvent leur formation dans des processus collisionnels très énergétiques.L'énergie libérée lors des impacts majeurs a vraisemblablement fondu la surface des planètes, formant ainsi un océan de roches en fusion. Le refroidissement et la solidification de cet « océan de magma » conditionnent la différentiation chimique du manteau et la distribution des éléments volatils entre les différents réservoirs de la planète. C'est lors de cette phase évolutive, commune aux planètes rocheuses, que l'atmosphère est formée par dégazage des volatils et que les conditions initiales de l'évolution future des planètes se mettent en place. C'est ainsi une phase évolutive de première importance pour comprendre l'apparition des océans d'eau primitifs, le démarrage de la convection thermique du manteau et l'actuelle diversité des planètes telluriques.Un modèle numérique couplant l'évolution thermique de l'océan de magma en interaction avec l'atmosphère a été utilisé pour étudier le refroidissement de la planète et les conditions de surface résultantes. Nous avons investigué l'influence du contenu initial en volatil combiné avec la distance orbitale de la planète sur la formation des premiers océans d'eau à la fin du refroidissement, pour des atmosphères avec et sans nuages. Cette approche a ensuite été étendue aux planètes rocheuses extra-solaires orbitant des étoiles froides.Le contenu relatif en H2O et CO2 de l'atmosphère peut empêcher la formation d'océans, menant à des planètes ayant une surface solide sans océans d'eau. Des lois d'échelle prédisent la formation d'océans en fonction du contenu initial en volatil. Une épaisse couche nuageuse diminue la température de surface et maintient des conditions clémentes plus proche de l'étoile rendant ainsi possible la formation d'océan sur Vénus. Ces conditions de surface tempérées pourraient alors être favorable à l'émergence de la vie et suggèrent qu'en fonction de la couverture nuageuse, la Terre et Vénus pourraient être dans un état relativement similaire à la fin de la phase océan de magma, contrairement à ce qui est généralement admis.Pour les étoiles froides, la formation d'océans d'eau n'est possible qu'à des flux stellaires plus faibles que dans notre système solaire, correspondant à des distances étoile-planète relativement plus importantes.L'effet refroidissant des nuages est atténué pour les étoiles froides autour desquelles la bordure intérieure de la zone d'habitabilité tend à être indépendante de la couverture nuageuse. / At the end of the accretion phase, rocky planets grow through high energetic impact processes. Combined with other heat sources, they most likely melt the surface of the planets, forming an ocean of molten rocks. The cooling and solidification of this early so-called magma ocean strongly influences the earliest compositional differentiation and volatile distribution of the planet. Indeed, this common early evolution stage of rocky planets witnesses the degassing of the atmosphere and sets the initial conditions for the long-term evolution of the planets. It is thus of major importance in understanding the formation of the primitive water ocean, the onset of thermally driven mantle convection and the diversity of observed terrestrial planets.Using a coupled magma ocean-atmosphere thermal evolution model, we investigated the cooling of the planet and the surface conditions reached at the end of this early stage. We studied how the initial volatile content and the distance from the star influence the formation of a water ocean at the end of the cooling for both cloud-free and cloudy atmospheres. We extended this approach to planets orbiting colder stars than the Sun.The relative amount of H2O and CO2 in the atmosphere can preclude water ocean formation, leading to solid surface planets without water ocean. Scaling laws are derived to predict the formation of a water ocean as a function of the initial volatile content.The presence of a thick cloud cover extends clement surface conditions close to the star and allows for water ocean formation on early Venus. Such temperate conditions might be suitable for the emergence of life and suggest that, depending on the cloud cover, the Earth and Venus might not be as different as previously thought at the end of the magma ocean stage.For stars colder than the Sun, water ocean formation is shifted to farther star distances. The cooling effect of clouds becomes less efficient for cold stars whose inner edge of the temperate zone tends to be independent of the cloud cover.

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The most volcanically active body in the solar systemand the innermost Galilean moon of Jupiter, Io, is theorizedto have a global magma ocean beneath it’s surface. Io is alsoin a fast-moving flow of plasma where the moon acts as anobstacle in the flow which generates several complex interactions.One important interaction is the propagation of Alfv ́en waves,a specific wave in plasma, and the associated creation of Alfv ́enwings. The proposed magma ocean on Io would give rise to aninduced magnetic field and this induced field would influencethe shape and direction of these Alfv ́en wings. In this project,our aim is to find out how the induced magnetic field from themagma ocean would affect Io’s Alfv ́en wings and then comparethe results of our studies with measurements from the NASAGalileo spacecraft. We want to develop methods that we can applyto the measured magnetic field data from a specific spacecraftflyby to find out where the spacecraft enters and exits the Alfv ́enwing. Two different methods will be attempted, one that examinesthe gradient of the measured magnetic field and one that createscross-sections of these Alfv ́en wings and track the spacecraftstrajectory through it. Our results show that the methods wedevelop for examining the Alfv ́en wings are efficient, but thegeometry of the spacecrafts trajectory is not useful for studyingthe influence of the induced fields on the Alfv ́en wing. Thislimits us in drawing any definite conclusions about the existenceof a global magma ocean. Future spacecraft flybys with bettertrajectories are needed to use our methods to decide whether amagma ocean exists or not. / Den mest vulkaniskt aktiva himlakroppen i vårt solsystem och den innersta galilenska månen, Io, kan ha ett globalt magmahav under ytan. Io är även i ett snabbt flöde av plasma där månen agerar som ett hinder i flödet, detta skapar flera olika komplexa interaktioner. En särskilt viktig interaktion är fortplantningen av Alfvénska vågor, en specifik våg inom plasma, och det associerade skapandet av Alfvénvingar. Det möjliga magmahavet på Io skulle ge upphov till ett inducerat magnetiskt fält and detta inducerade fält skulle påverka formen och riktningen på dessa Alfvénvingar. I detta projekt är vårt mål att ta reda på hur det inducerade magnetiska fältet från magmahavet skulle påverka Ios Alfvénvingar och sen jämföra resultatet av våra studier med mätningar från NASAs Galileo rymdskepp. Vi vill också undersöka banan av en specifik förbiflygning och ta reda på var rymdskeppet kommer in i, och ut ur, Alfvénvingen. För att göra detta undersöker vi gradienten av magnetfältet och försöker även skapa tvärsnitt av Alfvénvingarna. Våra resultat visar att metoderna som vi tar fram för att undersöka Alfvénvingarna är effektiva och bra, men problem med rymdskeppets bana förhindrar oss från att dra klara slutsatser om existensen av magmahavet. Framtida förbiflygningar med bättre banor behövs för att bestämma om ett magmahav existerar eller ej. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2020, KTH, Stockholm

La naissance de la Lune, il y a environ 4.35-4.55 Ga, fut le résultat d'une collision majeure entre la proto-Terre et un embryon planétaire de la taille de Mars. L'énergie cinétique libérée lors de cet impact "géant" a sans doute été suffisante pour engendrer la fusion totale du manteau terrestre sur une profondeur de plusieurs milliers de kilomètres. La première croûte et réservoirs mantelliques différenciés furent ainsi produits par cristallisation de cet océan magmatique, avant d'être en grande partie réhomogénéisés par le recyclage crustal et le mélange convectif. Ce projet vise à apporter de nouvelles contraintes sur la chronologie et les mécanismes précoces (>4 Ga) de différenciation du manteau et de la croûte terrestres. A cet effet, une approche multi-isotopique combinant les systèmes 146,147Sm-142,143Nd et 176Lu-176Hf a été appliquée aux roches mafiques et ultramafiques de l'assemblage de Nulliak (3.78 Ga, Bloc de Saglek, Labrador) et de la ceinture supracrustale d'Ukaliq (3.75 Ga, Craton du Supérieur, Québec). L'application du système couplé 146,147Sm-142,143Nd aux échantillons de cette étude a permis de déterminer précisément l'âge de différenciation de la Terre silicatée, à 4.40±0.03 Ga. Cet âge est similaire à celui des plus anciennes roches lunaires, et légèrement antérieur à l'âge de cristallisation de l'océan magmatique lunaire (4.36±0.03 Ga). Les signatures 142,143Nd observées dans les roches Eoarchéennes de Nulliak et les laves Néoarchéennes de Theo's Flow (2.7 Ga, Abitibi) sont remarquablement similaires, et suggèrent une source mantellique commune, différenciée il y a ~4.4 Ga et préservée du mélange convectif sur une échelle de temps de plusieurs milliards d'années. L'application de la systématique 176Lu-176Hf aux metakomatiites de Nulliak indique que leur manteau source était caractérisé par des rapports Lu/Hf et Sm/Nd superchondritiques, impliquant un épisode antérieur de différenciation dans le champ de stabilité du grenat (P=3-25 GPa). De manière plus générale, il apparaît que l'ensemble des komatiites Eo- et Mesoarchéennes définissent une corrélation εHf-εNd de pente distincte (~4) à celle de la corrélation εHf-εNd du manteau moderne (~1.5). Cette signature est caractéristique d'une différenciation mantellique en présence de grenat et ne peut être attribuée à la cristallisation de pérovskite aux pressions du manteau inférieur. L'ensemble de ces observations est interprété comme reflétant une différenciation du manteau supérieur lors de la phase finale de cristallisation de l'océan magmatique, suivi du recyclage de ces cumulats superficiels dans le manteau profond par un mécanisme d'overturn. L'enregistrement isotopique Archéen en 142Nd pourrait ainsi refléter un échantillonnage ponctuel de ces hétérogénéités primordiales dans des contextes de points chauds au cours des deux premiers milliards d'années de l'histoire de la Terre / The Earth is a telluric planet that formed by collision with and accretion of multiple differentiated proto-planetary bodies. The latest of these collisions, the Moon-forming impact, occurred between the proto-Earth and a Mars-sized impactor ~4.35-4.55 Ga ago. Kinetic energy released during impact likely induced global melting of the silicate Earth over depths of thousands of kilometers. Crystallization of this magma ocean then resulted in the differentiation of primordial crustal and mantle reservoirs that were subsequently rehomogenized by convective stirring. The aim of this project is constrain the timing and differentiation mechanisms of the early silicate Earth (>4 Ga ago), using a multi-isotopic approach combining coupled 146,147Sm-142,143Nd chronometry and 176Lu-176Hf systematics. These isotopic tools were used to study well-preserved mafic to ultramafic rocks from the Nulliak assemblage (3.78 Ga, Saglek block, Labrador) and from the Ukaliq Supracrustal Belt (3.75 Ga, Superior Province, Quebec). Application of coupled 147Sm-143Nd and 146Sm-142Nd systematics to Archean rocks from this study provides a precise differentiation age of 4.40±0.03 Ga for the early silicate Earth. This event predates the final stage of magma ocean solidification on the Moon by <50 Ma, consistent with near synchronous cooling of terrestrial and lunar mantles in the aftermath of the giant impact. Furthermore, the similarity of 142,143Nd signatures between the Eoarchean Nulliak metakomatiites and Neoarchean lavas from Theo's flow (2.7 Ga, Abitibi) suggests that their parent magmas were derived from a common mantle source. This depleted mantle reservoir differentiated 4.4 Ga ago and remained isolated from mantle mixing on a billion year timescale. Application of 176Lu-176Hf systematics to Nulliak metakomatiites indicates extraction from a source with both suprachondritic ratios of Lu/Hf and Sm/Nd, consistent with prior depletion at shallow depth in the garnet stability field (P=3-25 GPa). Collectively, Eo- and Meso-Archean komatiites define an ε176Nd-ε143Nd array with a slope of ~4, significantly distinct from that of the modern mantle array (~1.5). This signature requires differentiation in the presence of garnet and cannot be attributed to crystallization of a perovskitic assemblage in a deep magma ocean (P>25 GPa). We interpret our observations to reflect differentiation of shallow cumulates during the final stage of magma ocean crystallization, followed by overturn and foundering of these dense cumulates in the deep mantle. The Archean 142Nd record may thus primarily reflect episodic sampling of these primordial heterogeneities by hot mantle plumes rather than progressive mixing of highly depleted Hadean reservoirs

Dans les premiers instants de l'histoire des planètes telluriques, la chaleur d'accrétion, le chauffage radioactif et la différenciation noyau-manteau apparaissent comme des sources d'énergie capables de fondre le manteau terrestre significativement. L'évolution d'un océan de magma suite à ces évènements catastrophiques dépend des propriétés physiques des matériaux silicatés en conditions mantelliques et de la dynamique convective complexe d'un manteau en cristallisation. Actuellement, certains auteurs proposent que la structure actuelle du manteau profond pourrait être associée à des reliques de la cristallisation d'un océan de magma primitif. Nous avons développé un modèle thermodynamique capable de modéliser de façon auto cohérente des séquences de cristallisation dans les conditions du manteau profond. A partir de ce modèle, nous avons montré que le magma s'enrichit progressivement en fer au cours de la cristallisation. Le liquide résiduel devient ainsi plus dense que la phase solide. Ce modèle thermodynamique suggère un scénario de cristallisation de l'océan de magma similaire à celui proposé par (Labrosse et al., 2007). Celui-ci prédit que la structure actuelle de la base du manteau hériterait de la cristallisation d'un océan de magma primitif. Afin d'étudier l'influence de ce contraste de densité et des profils de liquidus sur la dynamique syn- cristallisation d'un océan de magma, nous avons développé un code de convection multiphasique intégrant changement phase, percolation / compaction et cristallisation fractionnée. Dans ce mémoire, nous présentons des modèles dynamiques préliminaires de cristallisation dans le cas univariant / Early in the history of terrestrial planet, heat of accreation, radioactive deacay and core-mantle segratation may have melted the silicate mantle significantly. Magma ocean evolution depends on both physical properties of materials at relevant P-T conditions and the complex dynamics of a convecting cristallizing mantle. Present deep Earth mantle structures might be direclty linked to the crystallization of a potential magma ocean. We propose a complete thermodynamic model of the solid-liquid equilibrium in the MgO-FeO-SiO2 system which allows to compute self-consistenltly crystallization sequence at deep mantle conditions. The present study shows that, at thermodynamic equilibrium, the first solids that crystallize in the deep mantle are lighter than the liquid as they are more Mg-rich. This further enriches the melt in iron and this residual melt becomes much denser than the solid phase. Both the anti-freeze effect of iron and its high density suggest a mantle crystallization scenario similar to that described in Labrosse et al. (2007) where the ULVZ are iron rich and very fusible remnants of a primordial basal magma ocean. In addition, we have developped a multiphase convection code accounting for solid-liquid phase change, compaction and fractionnal cristallization. This mechanical model is dedicated to the investigation of the effects of various temperature profile and solid liquid density cross-overs on the dynamics of a cristallizing mantle. In this thesis, we show preliminary models illustrating the effect of chemical density contrasts between melt and solid in the case of univariant crystallization

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. (...)

Au cours de la dernière phase d’accrétion, les planètes terrestres ont connu des impacts géants violents et très énergétiques. A la suite du chauffage causé par les impacts, la Terre primitive était partiellement ou totalement fondue, et un océan magmatique a été formé dans la couche externe de la Terre. Le refroidissement successif de l’océan magmatique a causé la cristallisation fractionnée du manteau primitif. Cependant, il reste beaucoup d’incertitudes à propos de l’accrétion de la Terre primitive, comme la profondeur et la durée de vie d’un (ou plusieurs) océan(s) magmatique(s), l’effet de la recristallisation du manteau sur la ségrégation chimique entre les différents réservoirs de la Terre et ainsi de suite. La connaissance des propriétés de fusion du manteau profond est important aussi pour examiner la possibilité d’une fusion partielle actuellement. L’objectif était d’aborder quelques problèmes concernant le manteau inférieur terrestre : Quelle est la séquence de fusion entre les phases dominantes dans le manteau inférieur ? Est-ce qu’on peut expliquer la zone à ultra-basse vélocité (ULVZ) avec la fusion partielle d’un manteau pyrolytique (ou chondritique) ? Quel est le partage du fer entre les phases silicatées liquides et solides dans le manteau profond ? Est-ce qu’on peut donner des informations nouvelles sur les propriétés d’un océan magmatique profond à partir des courbes de fusion du manteau primitif ? Dans cette étude les courbes de fusion et les relations de fusion ont été analysées en utilisant la cellule à enclume de diamant chauffé au laser (LH-DAC) pour des pressions entre 25 et 135 GPa et des températures jusqu’à plus que 4000 K, i.e. pour des conditions de P-T qui correspondent au manteau inférieur terrestre entier. Les compositions utilisées ont été le raccord entre MgO et MgSiO3 et une composition de type chondritique pour le manteau terrestre. J’ai utilisé deux techniques in-situ de radiation-synchrotron pour déduire les propriétés de fusion à hautes pressions ; la diffractométrie au rayons-X et la fluorescence au rayons-X. Les nouveaux résultats obtenus dans cette étude sont : (...) / During the final stage of accretion, terrestrial planets experienced violent and highly energetic giant impacts. As a consequence of impact heating, the early Earth was partially or wholly molten, forming a magma ocean in the outer layer of Earth. Subsequent cooling of the magma ocean has led to fractional crystallization of the primitive mantle. Many unknowns remain about accretion of the early Earth, such as extension depth and life time of the magma ocean(s), role of mantle recrystallization on the chemical segregation between the different Earth reservoirs, and so on. The knowledge of melting properties of the deep mantle is also important to investigate the possibility of partial melting at the present time. The aim of this study was to tackle a few major questions concerning the Earth lower mantle : What is the melting sequence between the main lower mantle phases ? Can we explain the ultra-low-velocity zones (ULVZ) by partial melting of pyrolitic (or chondritic) mantle ? How does iron partition between liquid and solid silicate phases in the deep mantle ? Can we provide new information on the properties of the deep magma ocean based on the melting curve of the primitive mantle ? Melting curves and melting relations have been investigated using the laser-heated diamond anvil cell (LH-DAC) for pressure between 25 and 135 GPa and temperature up more than 4000 K, i.e. at P-T conditions corresponding to the entire Earth’s lower mantle. Compositions investigated were the join between MgO and MgSiO3 and a model chondritic-composition for the Earth mantle. Two different in situ synchrotron radiation techniques have been used to infer melting properties at high pressures ; X-ray diffraction and X-ray fluorescence spectroscopy. The new results obtained in this study include : (...)

La formation des noyaux planétaires métalliques est un évènement majeur pour l’évolution des propriétés physico-chimiques des planètes telluriques telles que nous les connaissons aujourd’hui. En effet, l’abondance des éléments sidérophiles (i.e. qui ont des affinités chimiques avec les phases métalliques) dans les manteaux planétaires s’explique par les conditions dans lesquelles se sont séparées les phases métalliques et silicatées. Au premier rang de ces conditions se trouvent la pression, la température et la fugacité d’oxygène. La distribution des éléments dans le noyau et le manteau ne peut en effet s’expliquer que pour un équilibre obtenu dans un océan magmatique profond, donc à haute pression et haute température ; et dans des conditions d’oxydo-réduction variables, dont l’évolution la plus probable est de passer d’un état réduit à un état oxydé. Un autre paramètre important est la présence ou non d’eau dans l’océan magmatique primitif. En effet, nous disposons de plus en plus d’arguments permettant d’expliquer l’arrivée des éléments volatils, notamment l’eau, pendant l’accrétion, à partir de briques élémentaires qui contiennent ces éléments. Si l’eau est présente tout au long de l’accrétion, et donc pendant la ségrégation du noyau, elle peut donc avoir un effet sur ce dernier phénomène. Dans cette hypothèse, nous avons mené des expériences de haute pression et haute température permettant de modéliser expérimentalement la formation du noyau en condition hydratée. Ces expériences nous ont permis de montrer que la présence d’eau a un effet sur l’évolution de l’état d’oxydation des manteaux planétaires. Cette évolution oxydo-réductive nous a permis de contraindre des modèles d’accrétion basés sur un mélange de chondrites EH et CI, qui confirment des modèles construits à partir de données isotopiques. Ces modèles nous ont permis de contraindre les concentrations primitives maximum en eau probables sur Terre (1,2-1,8 % pds.) et sur Mars (2,5-3,5 % pds.). D’autre part, nos avons mis en évidence le caractère lithophile (i.e. qui a des affinités chimiques avec les phases silicatées) de l’hydrogène à haute pression, a contrario de plusieurs études précédentes. De ce fait, la différence entre les concentrations initiales élevées en eau que nous obtenons dans nos modèles d’accrétion et les concentrations en eau estimées sur Terre et sur Mars actuellement (2000 ppm et 200 ppm, respectivement) ne peut pas être expliquée par un réservoir d’hydrogène dans le noyau. Enfin, pour améliorer les modèles de formation du noyau, nous avons mis en évidence, par des modèles numériques, l’effet important de la viscosité de l’océan magmatique sur le taux d’équilibre entre noyaux et manteaux des planètes telluriques. Cela nous mène à ré-évaluer les modèles de formation des planètes telluriques basés sur des résultats expérimentaux à l’équilibre, notamment l’extension maximale de l’océan magmatique. L’évolution de la viscosité de l’océan magmatique a donc un impact important sur la composition finale des noyaux planétaires (par exemple les teneurs en soufre, oxygène ou silicium des noyaux terrestres et martiens). / The formation of the metallic planetary cores is a major event regarding to the evolution of physical and chemical properties of the telluric planets as we know it today. Indeed, the siderophile elements (i.e. which has affinities with metallic phases) abundances in planetary mantles is explained by the conditions of core-mantle segregation. Among these conditions, pressure, temperature and oxygen fugacity are the main ones controlling distribution of the elements between mantle and core. This distribution can only be explained by an equilibrium between metal and silicate obtained in a deep magma ocean, which implies high pressure and high temperature of equilibrium. Moreover, the oxygen fugacity must have varied during core-mantle segregation, in a reduced-to-oxidized path most probably. Another important parameter is whether or not water is present in the primordial magma ocean. Indeed, we now have more and more lines of evidences showing that the volatile elements, especially water, arrived during accretion and therefore during the core-mantle segregation, which means that water can have an effect on the latter phenomenon. Considering this hypothesis, we performed several high pressure-high temperature experiments which allowed us to model the formation of the core under hydrous conditions. These experiments demonstrated that water has a significant effect on the redox state evolution of planetary mantles. We use this redox evolution to constrain models of planetary accretions, based on a mix of EH and CI chondrites, showing a good agreement with models based on isotopic data. The output of these models is the maximum initial concentration in water on the Earth (1.2 -1.8 %wt) and on Mars (2.5-3.5 %wt). Furthermore, these experiments showed a lithophile behavior (i.e. which has affinities with silicated phases) of hydrogen at high pressures, contrary to previous studies. Therefore, the difference between high initial concentrations in water yielded by our accretion models and the estimated actual concentrations on the Earth and Mars (2000 ppm and 200 ppm, respectively) cannot be explained by a hydrogen reservoir in the core. Finally, to improve the models of core-mantle segregation, we showed by numerical simulations the important effect of the magma ocean viscosity on the equilibrium between planetary mantles and cores. it lead us to reevaluate the models of accretion based on experimental data, especially the maximum extent of magma oceans. The evolution of the magma ocean viscosity has therefore significant implications on the final composition of planetary cores (for instance on the sulfur, oxygen and silicon content of the Earth’s and Mars’ core).