Soutenance de thèse de Bin Zhao

Bin Zhao, doctorant dans l'équipe Minéralogie, Pétrologie et physique planétaire (MP3), soutient sa thèse le vendredi 2 décembre 2022 à 14 h.

Sorbonne Université - Campus Pierre et Marie Curie - 4 Place Jussieu - 75005 PARIS - IMPMC - Barre 22-23 - 4 e étage  - salle 401

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

Résumé

Le soufre et le carbone sont considérés comme les deux éléments légers les plus abondants dans le noyau de la Lune. Étant donné le manque de connaissances sur les propriétés de l'alliage Fe-C-S, le noyau de la Lune est généralement modélisé comme un Fe-S binaire ou Fe-C. Ce travail visait à surmonter cette limitation en fournissant l'ensemble de données nécessaire pour discuter des propriétés du noyau de la Lune sur la base du système ternaire Fe-C-S. La structure locale et la densité des alliages liquides Fe-C-S ont été étudiées in situ par des expériences de diffraction et d'absorption des rayons X jusqu'à 5 GPa et à des températures comprises entre 1600 K et 1900 K. La miscibilité des alliages liquides Fe-C-S a été étudiée par des expériences de trempe entre 2 et 6 GPa à 1650 K et 2000 K, respectivement. Les données obtenues ont été utilisées pour construire un modèle thermodynamique de la densité des alliages Fe-C-S liquides en fonction de la pression, de la température et de la teneur en éléments légers. Ce modèle, ainsi que des informations sur l'écart de miscibilité, sont utilisés pour discuter de la teneur en éléments légers dans le noyau de la Lune.

Plus loin dans le système solaire, parmi les satellites galiléens de Jupiter, Europe, Io et Ganymède sont considérés comme hautement différenciés. Dans les informations limitées disponibles, leurs noyaux ont été considérés comme étant composés d'un alliage Fe-S. Fe₃S₂ a été suggéré comme une phase solide potentielle se formant par refroidissement séculaire du noyau liquide riche en S, mais sa structure, ses paramètres de réseau et ses limites de stabilité étaient inconnus. Ainsi, dans le cadre de ce travail de 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. Le champ de stabilité de Fe₃S₂ et ses propriétés structurelles ont été déterminés, ce qui indique qu'il est peu probable que Fe₃S₂ soit présent dans le noyau d'Europa, Io ou Ganymède, mais qu'il pourrait se former lors de la cristallisation de noyaux liquides Fe-S riches en S dans la gamme 12 à 20 GPa.

Mots clés : Alliages de fer, haute pression, planètes terrestres, noyau métallique, densité.

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

Abstract

Sulfur and carbon are considered the two most abundant light elements in the Moon’s core. Given the lack of knowledge of Fe-C-S alloy’s properties, the core of the Moon is generally modeled as either a binary Fe-S or Fe-C. This work aimed at overcoming this limitation by providing the necessary dataset to discuss the properties of the Moon’s core on the basis of the ternary Fe-C-S system. Local structure and density of liquid Fe-C-S alloys were studied in situ by X-ray diffraction and absorption experiments up to 5 GPa and at temperatures between 1600 K and 1900 K. Miscibility of liquid Fe-C-S alloys was studied by quench experiments between 2 and 6 GPa at 1650 K and 2000 K, respectively. The obtained data were employed to build a thermodynamic model of the density of liquid Fe-C-S alloys as a function of pressure, temperature, and light element content. This model, together with information on the miscibility gap, are used to discuss the light element content in the Moon’s core. 

Moving further out in the solar system, among the Galilean satellites of Jupiter, Europa, Io, and Ganymede are considered highly differentiated. Within the limited information available, their cores were considered to be composed of an Fe-S alloy. Fe₃S₂ was suggested as a potential solid phase forming by secular cooling of the S-rich liquid core, but its structure, lattice parameters, and stability limits were unknown. As such, as part of this 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. Stability field of Fe₃S₂ and its structural properties were determined, which indicate that Fe₃S₂ is unlikely to be present in the core of Europa, Io, or Ganymede, but that it could form upon crystallization of S-rich Fe-S liquid cores in the range 12 to 20 GPa.

Keywords: Iron alloys, high pressure, terrestrial planets, metallic core, density.

Jury 

• Mme. Nathalie Bolfan-Casanova – Université Clermont-Auvergne – directrice de recherche CNRS – Rapporteuse
• M. Dan Frost – University of Bayreuth – Professor – Rapporteur
• Mme. Nadege Hilairet – Université de Lille – Chargée de recherche CNRS – Examinatrice
• M. Mark Wieczorek – Université de la Côte d'Azur – Directeur de recherche CNRS – Examinateur
• Mme. Livia Bove – Sorbonne Université – Directrice de recherche CNRS – Examinateur
• M. Nicolas Rambaux – Sorbonne Université – Maître de conferences – Examinateur
• M. Daniele Antonangeli – Sorbonne Université – Directeur de recherche CNRS – Directeur de thèse
• M. Guillaume Morard – Université Grenoble Alpes – Chargé de recherche CNRS – Directeur de thèse

Photo : © IMPMC - Cécile Duflot