Projet ANR-10-JCJC-0503 – CM2cron : Interactions eau-roche dans le système solaire précoce : apport de l’étude des serpentines riches en fer dans les chondrites CM2
Programme : JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Sciences de l’univers (JCJC SIMI 5)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Madame Agnès ELMALEH (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B)
Partenaires : Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie
Montant : 175000.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Interactions fluide-roche sur le corps parent des chondrites carbonées CMLes chondrites carbonées CM sont primitives par leur composition élémentaire, mais essentiellement constituées de serpentines, témoins d’événements d’altération aqueuse sur leur corps parent astéroïdal, à une période précoce de l’évolution du système solaire. Ces événements auraient débuté quelques millions d’années après le début de l’accrétion. La compréhension des réactions par lesquelles ces corps rocheux se sont hydratés est la motivation de ce projet.
Comprendre les réactions de formation des serpentines riches en fer des chondrites CMDes aspects importants des processus impliqués dans l’altération du corps parent des chondrites sont encore largement mal compris: quelles étaient les propriétés (P, T, chimie) des fluides circulant, issus de la fonte des glaces accrétées ? Quelles réactions pourraient expliquer la diversité des produits d’altération, en particulier celle des phyllosilicates? Par quels processus le fer, à l’état de valence 0 ou 2 dans les condensats nébulaires, s’est il partiellement oxydé en Fe3+ dans l’environnement anoxique de l’astéroïde ? C’est par le couplage d’observations à diverses échelles et d’expérimentation – modélisation que nous abordons ces questions.
Approche analytique et expérimentale de la formation des serpentines riches en ferDans ce projet, nous avons développé une méthodologie basée sur la minéralogie magnétique pour évaluer les transformations des serpentines avec le degré d’altération. Les CM, les chutes carbonées les plus fréquentes, offrent pour cela un échantillonnage précieux, car représentant divers stades de l’altération. Cette approche, qui permet une caractérisation globale par la magnétométrie, s’appuie l’étude des propriétés magnétiques des serpentines riches en fer par magnétométrie, diffraction des neutrons, et dichroïsme magnétique circulaire des rayons x (XMCD). En parallèle, les réactions impliquées dans la formation et les transformations des serpentines sont étudiées à nano-échelle, en utilisant la microscopie électronique en transmission et l’absorption des rayons x couplée à la spectromicroscopie des rayons x (STXM). Enfin, cette démarche est complétée par une approche expérimentale et de modélisation, indispensable à la compréhension des facteurs thermodynamiques et cinétiques contrôlant la formation des serpentines riches en fer dans le contexte de l’altération des astéroïdes.
Résumé de la soumission : Le principal objectif de ce projet est d’apporter des éléments clef pour la compréhension de l’altération des corps parents des chondrites carbonées CM2, par une étude analytique (propriétés magnétiques, structurales, cristallochimiques) et expérimentale d’un composant majeur de ces météorites : les serpentines riches en fer. Les conditions qui ont prévalu lors de ces événements d’altération aqueuse sont très mal connues. Mieux comprendre ces processus fournirait des indications fondamentales sur la composition initiale du corps parent et les conditions de formation des petits corps dans le Système Solaire.La Fe-serpentine est potentiellement un bon traceur des conditions d’altération, du fait de la présence de fer sous deux états d’oxydation (+II et +III). Néanmoins, la correspondance entre la composition du fluide, et notamment son pouvoir réducteur, et la composition en fer ferrique de la cronstedtite n’a jamais été établie expérimentalement. Ce problème sera abordé par la synthèse de cronstedtite dans des conditions variables, avec un suivi des paramètres environnementaux et sous atmosphère contrôlée. De plus, un modèle thermodynamique fiable des serpentines, qui permettrait de relier composition mesurée, et conditions de croissance, fait défaut. Etablir un tel modèle, à partir de l’estimation des chemins réactionnels impliqués, devrait considérablement améliorer la compréhension des processus chimiques impliqués et permettrait d’estimer les conditions d’altération. Une telle méthodologie nécessite la détermination de la cristallochimie de la Fe-serpentine métoritique, qui est l’un des objectifs de ce projet. Deux approches seront combinées: d’une part, la détermination à petite échelle nous permettra d’évaluer la variabilité cristallochimique et structurale à l’intérieur d’une météorite. D’autre part, nous proposons de suivre les variations globales de la cristallochimie de la cronstedtite avec le degré d’altération des metéorites, en utilisant les propriétés magnétiques du minéral. La comparaison avec les propriétés mesurées pour des échantillons terrestres ou synthétiques de compositions variables (leur détermination nécessitant en soi le développement d’une méthodologie adaptée) devrait permettre d’interpréter ces mesures en  termes de variations cristallochimiques et structurales. Une telle approche devrait apporter des éléments nouveaux dans la compréhhnsion des processus d'hydratation des corps parents des chondrites.
Résultats : Nous avons mis en évidence (par l’étude magnétique, réf. 1, 3 et 4, et à nano-échelle, réf. 2 et 5) une analogie forte entre la serpentinisation dans le corps parent des CM, et la serpentinisation des péridotites abyssales. En effet, nos résultats suggèrent que l’incorporation du fer aux serpentines est plus élevée dans les premiers stades de l’altération –formation de cronstedtite. Les étapes ultérieures conduisent à des assemblages plus riches en Mg et Al, non équilibrés du point de vue de la chimie, de la structure et du redox (réf. 2), analogues aux assemblages polysomatiques des environnements hydrothermaux terrestres.
Un contrôle cinétique de la formation des serpentines riches en fer aux stades précoces de l’altération est suggéré par les études analytiques (réf. 1 et 2) et expérimentales (thèse en cours). Les processus d’oxydation du fer qui lui sont associés seraient analogues aux processus terrestres, et impliqueraient une production de dihydrogène, avec des conséquences éventuelles sur l’évolution à long terme du redox du corps parent, et / ou sur l’organo-synthèse prébiotique (réf. 2).
D’un point de vue plus fondamental, l’interprétation des résultats de l’étude par magnétométrie des chondrites repose sur celle des propriétés magnétiques de la cronstedtite. La mise en évidence, par cette étude, du comportement de type verre de spin de la cronstedtite (réf. 1) est un fait marquant du projet.
Perspectives : A ce jour, très peu d’études ont documenté les variations des propriétés magnétiques des serpentines riches en fer. Or, elles recèlent une information cristallochimique riche, car à l’intérieur du domaine de variations des compositions d'intérêt ici (greenalite – cronstedtite – berthiérine - chamosite), antiferromagnétisme et magnétisme frustré à divers degrés (réf. 1) sont rencontrés. Mieux comprendre cette information, par une étude par diffraction des neutrons et par XMCD, en cours, vise à mieux comprendre les paramètres qui contrôlent l’ordre/désordre magnétique dans les serpentines  et à mieux évaluer les variations de cristallochimie globales des serpentines chondritiques. Cette approche est un préalable à l’estimation de leurs conditions de formation, en combinaison avec les expériences et la modélisation.
Publications et brevets : Publications de rang A:
Réf. 1: Elmaleh, A., Tarantino, S.C., Zema, M., Devouard, B. and Fialin, M. (2012) The low-temperature magnetic signature of Fe-rich serpentine in CM2 chondrites: comparison with terrestrial cronstedtite and evolution with the degree of alteration. Geophys. Geochem Geosystems 13, Q05Z42.
Réf. 2: Elmaleh, A., Bourdelle, F., Caste, F., Benzerara, K., Leroux, Devouard, B. Formation of Fe-rich serpentine by aqueous alteration in asteroids: a nanoscale study of the Murray chondrite, submitted to Geochim. Cosmochim. Acta.
Autres:
Réf. 3: Elmaleh, A., Tarantino, S.C., Zema, M., Zanda, B., Devouard, B. and Fialin, M. (2011) Low- T magnetic properties of 5 CM2 chondrites: comparison with the signature of cronstedtite and with preliminary results from the Paris chondrite Meteor. Planet. Sci  46, Special Issue-Supplement 1, A64-A64.
Réf. 4: Elmaleh, A., Zanda, B., Hewins, R., Göpel, C., Fieni, C., Pont, S. and Humayun, M. (2012) Early Stages of hydrothermal alteration in anomalous primitive CCs NWA 5958 and Paris. Meteor. Planet. Sci  47, Special Issue-Supplement 1, A127-A127.
Réf. 5: Elmaleh, A., Benzerara, K., Leroux, H., Devouard, B., Tarantino, S.C., Bernard, S., Wang, J. (2012) Nanoscale study of Fe-serpentines & associated secondary phases in the matrix of CM2 carbonaceous chondrites. Meteor. Planet. Sci  47, Special Issue-Suppl. 1, A126-A126.
Réf. 6: Cournede, C., Gattacceca, J., Rochette, P., Elmaleh, A. and Jenniskens, P. (2012) Magnetic properties of Sutter’s Mill compared to CM2, C2 and C3. Meteor. Planet. Sci., 47, Special Issue-Supplement 1, A110-A110.
Conférence invitée :
 “Interactions fluide-roche dans les astéroïdes: formation des serpentines chondritiques”.
A. Elmaleh, F. Bourdelle, F. Caste, K. Benzerara, S. C. Tarantino, H. Leroux, B. Devouard, M. Zema” RST / Groupe Français des Argiles, Pau, oct. 2014.
Deux stages de Master 2 (Suraj Pushparaj et Florent Caste) et une thèse en cours (Florent Caste).