Propriétés physiques des alliages Fe-C-S et Fe-S dans des conditions de noyaux planétaires

Physical properties of Fe-C-S and Fe-S alloys under planetary core condition

• Auteur / Autrice : Bin Zhao
• Direction : Daniele Antonangeli, Guillaume Morard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 02/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Livia Eleonora Bove
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadège Hilairet, Mark Wieczorek, Nicolas Rambaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Bolfan-Casanova, Dan Frost

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lune -- Structure interne

Équations d'état

Fer -- Alliages

Planètes -- Structure interne

Mots clés libres

Haute pression

Haute température

Équation d'état

Alliages de fer

Structure locale des liquides

High pressure

High temperature

Equation of state

Iron alloys

Liquid local structure

Résumé

Les planètes terrestres possèdent un noyau métallique composé d'alliages de fer, qui sont les produits d'une différenciation à longue période. La Lune est le corps planétaire terrestre le plus proche de la Terre, et aussi le mieux contraint grâce aux nombreuses missions spatiales comprenant des objets atterrissants et des engins spatiaux en orbite. Les observables collectés permettent aux gens de construire des modèles lunaires et d'en déduire les propriétés de base. En ce qui concerne sa composition, le soufre et le carbone sont considérés comme deux éléments légers plausibles dans le noyau de la Lune, mais la plupart des cas ont été discutés en termes de binaire Fe-S ou Fe-C, en l'absence de connaissance des propriétés de l'alliage Fe-C-S. Cette étude a fourni une discussion d'un point de vue Ternaire-Fe-C-S, basée sur les propriétés physiques des alliages liquides Fe-C-S déterminées expérimentalement. Plus précisément, la structure locale et la densité des alliages Fe-C-S liquides ont été étudiées par des expériences de diffraction et d'absorption des rayons X in situ en dessous de 5 GPa et entre 1600 K et 1900 K. La miscibilité des alliages Fe-C-S a été étudiée par des expériences de trempe entre 2 et 6 GPa à 1650 K et 2000 K, respectivement. La densité mesurée a été utilisée pour construire un modèle thermodynamique pour la densité des alliages Fe-C-S liquides en fonction de la pression, de la température et de la teneur en C/S. Ce modèle, ainsi que l'écart de miscibilité, sont utilisés pour discuter de la teneur en éléments légers dans le noyau de la Lune. Par rapport aux missions lunaires, la mission pour les autres planètes du système solaire a commencé beaucoup plus tard avec des difficultés et des risques considérablement accrus, laissant ces corps planétaires terrestres plus éloignés de la Terre encore mal contraints. Par exemple, le vaisseau spatial Galileo, qui est la première mission de Jupiter effectuée dans les années 1990, a collecté les données gravitationnelles des quatre satellites de Jupiter, parmi lesquels Europa, Io et Ganymède sont considérés comme hautement différenciés. Sans plus d'informations, le noyau a été considéré comme composé de Fe-S. Fe3S2 est un candidat potentiel se formant dans des conditions P-T pertinentes, mais sa structure, ses paramètres de réseau et ses conditions de formation précises restent inconnus. Pour cette partie de la thèse, les propriétés des composés Fe-S ont été étudiées par diffraction des rayons X in situ de 11 à 15 GPa et de la température ambiante à la fusion. La condition de formation précise de Fe3S2 et ses propriétés structurelles ont été déterminées par le diagramme de diffraction, qui permet de déduire la composition du noyau des corps planétaires de taille moyenne.

Terrestrial planets possess a metallic core composed of iron alloys, which are the products of long-period differentiation. The Moon is the closest terrestrial planetary body to the Earth, and also most well-constrained thanks to the numerous space missions including landing objects and orbiting spacecrafts. The collected observables allow people to build Moon models and infer the core properties. Regarding its composition, sulfur and carbon are considered as two plausible light elements in the Moon’s core, but most of the cases were discussed in terms of binary Fe-S or Fe-C, in absence of the knowledge of Fe-C-S alloy’s properties. This study has provided a discussion from a Ternary-Fe-C-S point of view, based on the physical properties of liquid Fe-C-S alloys determined experimentally. Specifically, local structure and density of liquid Fe-C-S alloys were studied by in situ X-ray diffraction and absorption experiments below 5 GPa and between 1600 K and 1900 K. Miscibility of Fe-C-S alloys was studied by quench experiments between 2 and 6 GPa at 1650 K and 2000 K, respectively. The measured density was employed to build a thermodynamic model for density of liquid Fe-C-S alloys as a function of pressure, temperature, and C/S content. This model, together with the miscibility gap, are used to discuss the light element content in the Moon’s core. Compared to the lunar missions, the others started much later with considerably increased difficulties and risks, leaving those terrestrial planetary bodies farther to the Earth still poorly constrained. For instance, the Galileo space craft, which is the first Jupiter mission performed in 1990S, collected the gravitational data of the four satellites of Jupiter, among which Europa, Io, and Ganymede are considered highly differentiated. Without further information, the core was considered to be composed of Fe-S. Fe3S2 is a potential candidate forming at pertinent P-T conditions, but its structure, lattice parameters, accurate forming condition remains unknown. For this part of the PhD work, the properties of Fe-S compounds were studied by in situ X-ray diffraction from 11 to 15 GPa and from room temperature to melting. The accurate forming condition of Fe3S2 and its structural properties were determined by the diffraction pattern, which enables the inference on the core composition of middle-sized planetary bodies.