L'état physique des feldspaths pendant l'Impact Géant

Behavior of feldspars during the Giant Impact

• Auteur / Autrice : Anaïs Kobsch
• Direction : Razvan Caracas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Reynard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Razvan Caracas, Bruno Reynard, Simona Ispas, Guillaume Morard, Muriel Andreani, Simon Meyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simona Ispas, Guillaume Morard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermodynamiques

Théorie de la fonctionnelle de densité

Dynamique moléculaire

Feldspaths

Mots clés libres

Feldspaths

Point supercritique

Dynamique moléculaire

Théorie de la fonctionnelle densité

Impact Géant

Volatilisation

Structure des fluides

Propriétés thermodynamiques

Feldspars

Supercritical point

Molecular dynamics

Density functional theory

Giant Impact

Volatilization

Fluids structure

Thermodynamic properties

Résumé

L’hypothèse majeure pour la formation de la Lune est celle d’un Impact Géant entre deux planètes en formation, généralement appelées Théïa et Gaïa. L’agglomération du disque de débris résultant aurait ensuite formé la Lune. Cependant aucune des simulations d’impacts ne permet de reproduire totalement les observations du système Terre-Lune actuel. Une solution à ce problème pourrait être d’améliorer notre compréhension des propriétés des différents minéraux, non seulement à hautes pressions et hautes températures (typiques des impacts), mais aussi à basses pressions et hautes températures (typiques de l’état du disque dans l’espace). Comme les expériences en laboratoire ne permettent pas d’atteindre ces dernières conditions, nous réalisons ici des expériences numériques. Nous travaillons sur les feldspaths, les minéraux les plus abondants dans les croûtes lunaire et terrestre. Il existe une multitude de compositions différentes de feldspaths, ici nous nous limitons aux trois compositions extrêmes idéales : NaAlSi3O8, KAlSi3O8 et CaAl2Si2O8. Au moyen d’un ensemble de codes informatiques appelé VASP® nous obtenons de nombreuses données sur les trois feldspaths pour des températures allant d’environ 2000 à 20 000°C et des masses volumiques entre 0.5 et 6 g.cm−3. Les codes du « package » UMD développés pendant ces trois années au sein de l’équipe permettent l’analyse de ces données. Ces expériences numériques permettent de construire un diagramme de phases indicatif pour chacun des feldspaths étudiés. Nous avons visuellement identifié les conditions de pressions et températures pour lesquelles le liquide se vaporise (des bulles de gaz apparaissent). Ce gaz semble être constitué majoritairement d’atomes libres Na et K, mais aussi de petites molécules comme SiO, SiO2 ou O2. Nous avons également estimé la température critique. En dessous de cette température il est possible de voir un changement de phase liquide-gaz, mais au-dessus nous trouvons un fluide unique appelé fluide supercritique. Cette température est estimée entre 5250°C et 5750°C pour KAlSi3O8, entre 6250°C et 6750°C pour NaAlSi3O8 et entre 7250°C et 7750°C pour CaAl2Si2O8. Les propriétés des feldspaths à très hautes pressions (jusqu’à 4 000 000 de fois la pression atmosphérique) et températures (jusqu’à 20 000°C) nous permettent d’estimer l’état physique qu’une croûte planétaire composée de feldspaths pourrait avoir lors d’impacts météoritiques. Lorsque l’impact se produit sur une croûte froide (entre le zéro absolu et les conditions atmosphériques classiques) il pourrait au maximum faire fondre la croûte. Au contraire, lorsque l’impact a lieu sur une croûte chaude voire fondue (2200°C et plus) il pourrait transformer toute la croûte en fluide supercritique. Si c’était bien le cas de l’Impact Géant qui a formé la Lune, alors ce fluide supercritique ainsi créé pourrait permettre de résoudre bien des problèmes de composition chimique que les simulations d’Impact Géant présentent.

The impact of a planet in formation with the proto-Earth, also known as the Giant Impact, is now the main hypothesis for the Moon formation. Nevertheless, there are still discrepancies between the impact simulations and the observations of the current Earth-Moon system. To improve their models, geophysicists need a better understanding of geological materials not only at high pressures and high temperatures, typical of impacts, but also at low pressures and high temperatures, typical of the debris disc that follows the impact. Since this latter region cannot be reached by experiments we use here ab-initio molecular dynamics simulations. We work on feldspars, with formula (Ca,K,Na)(Al,Si)4O8, as they represent the major mineral component of the crust of terrestrial bodies. Using the VASP® code for numerical experiments and the home-made UMD package for post-processing, we obtain structural, transport and thermodynamic data on a wide range of temperatures (2000–7000 K) and densities (0.5–6 g.cm−3). The three feldspar end-members display a critical density between 0.4 and 0.9 g.cm−3 and critical temperatures as follows: 5000 K < TK < 5500 K, 6000 K < TNa < 6500 K and 7000 K < TCa < 7500 K. At low densities and below the critical temperatures, we can identify the start of gas bubble nucleation. The vaporization is incongruent, the gas is mostly made of free Na or K and of SiO, SiO2 or O2 molecules. There is an O2 degassing of the fluids above 4000 K at all densities. Our study at very high temperatures and pressures tells us that impacts in a cold crust would at most melt the crust, whereas impacts in a hot crust or in a magma ocean would completely bring the crust into supercritical state.