Spéciation et solubilité des constituants azote, carbone et soufre dans les magmas primordiaux impliqués dans la formation planétaire // Speciation and solubilities of nitrogen, carbon and sulfur in exoplanetary magmas

Des épisodes magmatiques multiples sont au cœur de de la formation des corps planétaires et leur dégazage, formant les premières enveloppes atmosphériques, est sujet d'un débat scientifique de premier plan. En exemple de ce magmatisme primordial, citons les roches magmatiques les plus anciennes, les angrites, et des fragments de silicates vitreux encapsulés dans les chondrites, les chondres, tous datant du début du système solaire (4,5 milliards d'années). Nous devons également mentionner les nombreuses observations d'exoplanètes chaudes, proches de leur étoile, dont les températures d'équilibres excèdent le point de fusion des roches.

Les observations cosmochimiques et astrophysiques sur ces magmas extraterrestres convergent vers un magmatisme atypique par rapport à celui qui prévaut aujourd'hui sur Terre : Les conditions redox sont ultra-réduites pointant donc vers l'absence totale d'oxygène libre dans ces milieux et, ces systèmes semblent être exposés à de très fortes pressions d'hydrogène (H2). Sous ce régime exotique, nos connaissances sur le comportement d'éléments clefs dans le dégazage magmatique (H-C-N-S) sont inadéquates, en raison de maigres fondations empiriques et théoriques. Par exemple, nous ne savons pas s'il est possible de former des constituants H2S, NH3 et CH4 dans des silicates fondus, alors que les implications sur la chimie des atmosphères dégazées seraient transformantes pour la communauté scientifique.

Ce sujet de thèse vise à combler ce vide de connaissances fondamentales en combinant des approches expérimentales et analytiques de pointes. Nous exploiterons la plateforme expérimentale de l'ISTO, qui permet de synthétiser en laboratoire des magmas exposés à ces conditions exotiques (haute température, haute pression, forte fugacité d'hydrogène, fH2, et faible fO2). Nous exploiterons aussi les développements de LADYBIRD (PI Rémi Champallier, IR à l'ISTO, impliquant des ingénieurs de l'ICMN et du CEMHTI), qui cible un système expérimental transformant en matière de températures jamais atteintes sous pression de gaz. Nous exploiterons également la grande expertise du CEMHTI (Pierre Florian, spécialiste en spectrométrie RMN) pour caractériser les spéciations des gaz dissouts dans les verres silicatés ainsi formés. Enfin, nous collaborerons avec l'IPG-Paris (Jabrane Labidi, Chargé de recherche) et le CRPG-Nancy (Laurette Piani, Chargé de recherche) afin de quantifier les concentrations élémentaires et les signatures isotopiques en H, N, C, S dans ces silicates vitreux. A l'ISTO, un postdoctorant de l'équipe GEOASTRONOMY, Dr. Dmitri Bondar, avec une belle expérience (thèses +3), sera impliqué dans l'encadrement de la thèse. GEOASTRONOMY fournira une demi-thèse ainsi que le fonctionnement de laboratoire et de mission.

Ce projet de thèse est donc très rassembleur et très structurant pour l'écosystème scientifique Orléanais car il « synergise » les forces financières et les savoir-faire de différents laboratoires. Il connecte également cette expertise Orléanaise avec des expertises complémentaires d'autres laboratoires d'excellences en France (IPG-CRPG). C'est au final un environnement de haut niveau technologique et scientifique et donc, un tremplin idéal pour l'épanouissement d'un-une jeune scientifique.
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Multiple magmatic episodes occurred during the formation of planetary bodies, and their outgassing, which formed the first atmospheric envelopes, is the subject of a major scientific debate. Examples of this primordial magmatism include the oldest magmatic rocks, the angrites, and fragments of glassy silicates encapsulated in chondrites, called chondrules, all dating back to the early solar system (4.5 billion years ago). We must also highlight the numerous observations of hot exoplanets close to their stars, whose equilibrium temperatures exceed the melting point of rocks.
Cosmochemical and astrophysical observations of these extraterrestrial magmas converge on a atypical magmatism compared to that which prevails today on Earth: Redox conditions are extremely reduced, thus pointing to the absence of free oxygen in these environments, and these systems furthermore appear to be exposed to very high hydrogen (H2) pressures. Under this exotic regime, our knowledge of the behavior of key elements in magmatic degassing (H-C-N-S) is inadequate due to poor empirical and theoretical foundations. For example, we do not know if it is possible to form H2S, NH3, and CH4 components in molten silicates, even though the implications for the chemistry of degassed atmospheres would be transformative for the scientific community.
This thesis aims to fill this gap in fundamental knowledge by combining cutting-edge experimental and analytical approaches. We will utilize the ISTO experimental platform, which allows for the laboratory synthesis of magmas exposed to these exotic conditions (high temperature, high pressure, high hydrogen fugacity, fH2, and low fO2). We will also leverage the developments of LADYBIRD (PI Rémi Champallier, IR at ISTO, involving engineers from ICMN and CEMHTI), an experimental project, which surpasses temperatures ever reached experimentally under gas pressure. We will also draw upon the extensive expertise of CEMHTI (Pierre Florian, specialist in NMR spectrometry) to characterize the speciation of gases dissolved in the silicate glasses formed in the laboratory. Finally, we will collaborate with IPG-Paris (Jabrane Labidi, Research Scientist) and CRPG-Nancy (Laurette Piani, Research Scientist) to quantify the elemental concentrations and isotopic signatures of H, N, C, and S in these vitreous silicates. At ISTO, a postdoctoral researcher from the GEOASTRONOMY team, Dr. Dmitri Bondar, with extensive experience (PhD +3), will be involved in supervising the thesis. GEOASTRONOMY, a collaborative european project, will provide half of the PhD funding as well as the funding support for laboratory and field missions.
This PhD project is therefore highly unifying and structuring for the local and european scientific ecosystem because it synergizes the financial resources and expertise of different laboratories. It also connects this Orléans expertise with complementary expertise from other leading laboratories in France (IPG-CRPG). Ultimately, it provides a high-level technological and scientific environment and thus an ideal springboard for the development of a young scientist.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programmes de l'Union Européenne de financement de la recherche (ERC, ERASMUS)

Université d'Orléans

552 Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU

La/le candidat devra maitriser un des éléments: - Expérimentation haute pression ou haute température - Spectroscopie vibrationnelle sur solides et fluides denses - Thermodynamique des hautes températures ou hautes pressions - Systèmes Magmatiques et hydrothermaux
The candidate must have an experience in one of the following field: - High pressure / high temperature experimentation - Vibrational spectroscopy on solid en dense fluid materials - Thermodynamics of high temperature reactions - Magmatic/hydrothermal systems