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L’histoire précoce de la Terre dévoilée grâce au paradoxe du xénon manquant

Juin 29, 2022

L’équipe RADEN du LP2i a contribué via des mesures très précises de signatures isotopiques du xénon à la possible résolution des paradoxes dits du « xénon manquant », énigme tenace en Géosciences reposant sur le constat que le Xe est élémentairement appauvri et isotopiquement fractionné dans les atmosphères terrestres et martiennes. Au-delà de la possible résolution de cette énigme, des informations sont déduites sur l’évolution de Mars et de la Terre lors de leur accrétion. Cette étude, résumée ci-après, a récemment été publiée dans la revue Nature.

Xe trapping-at-depth scenario. a, b, Due to successive collisions, multiple events of equilibrium between reduced Xe in a primary atmosphere and oxidized Xe in the crystallizing magma ocean, preferential trapping of heavy Xe isotopes at depth in silicates (a) and loss of the light isotopic Xe fraction on impact-induced atmosphere erosion and hydrodynamic escape (b). c, Partial release of the trapped heavy Xe in the CI chondritic secondary atmosphere through magmatism/continental erosion during the Archean resulting in an elementally Xe-depleted and isotopically heavy Xe-enriched atmosphere, and Xe ingassing initiated at subduction zones.

Le paradoxe du xénon manquant sur Terre et Mars est une des énigmes de la géochimie jusque là toujours imparfaitement résolue par les divers scénarios proposés, scénarios publiés dans des revues à très fort impact et avec un relai large dans les revues de vulgarisation jusque dans les quotidiens nationaux (Le Monde par exemple en 2012 suite au scénario de Shcheka et Kepler publié également dans Nature). Les études sur la géochimie du xénon sont en effet très suivies, car c’est un traceur exceptionnel de la formation de la Terre et des planètes, mais aussi un traceur très surveillé des tests nucléaires sous-terrains et des fuites de réacteurs civils.

Or nous avons démontré au cours des 15 dernières années que le xénon n’est pas un traceur inerte mais qu’il réagit dans les conditions de hautes pressions et températures des intérieurs planétaires, se liant aux atomes d’oxygène. Notre première compréhension de ce phénomène (Sanloup et al. Science 2005) a ouvert la voie de la synthèse et de la prédiction des composés de xénon sous pression, composés de haute énergie, à la fois par la communauté de physique des hautes pressions et celle de la chimie des gaz rares. Il y a donc un intérêt très fort et multidisciplinaire sur cette thématique, et le CNRS ne s’y est pas trompé en finançant cette nouvelle étude via la MITI et via le programme 80PRIME pour la thèse d’Igor Rzeplinski, premier auteur de l’article, co-encadré par Denis Horlait (Laboratoire des deux infinis de Bordeaux, IN2P3) et Chrystèle Sanloup (IMPMC, INP).

Cette étude parachève la découverte de la réactivité du xénon dans les intérieurs planétaires en démontrant son impact sur le fractionnement des isotopes du xénon. Nous en déduisons un scénario complet couvrant tous les aspects du xénon manquant (aspects élémentaires, isotopiques et temporels). De façon inattendue, ce scénario lève aussi le voile sur l’histoire précoce des planètes telluriques en révélant que chaque impact entre embryons planétaires a mené à un stade d’océan magmatique couplé à la perte d’atmosphère, et que cela s’est nécessairement reproduit au moins une dizaine de fois, le xénon étant à chaque fois un peu plus enrichi en isotopes lourds.

Enfin, au-delà de la résolution du paradoxe du xénon manquant, la compréhension de la chimie du xénon dans la Terre et les planètes ouvre maintenant des perspectives de recherche plus appliquées. Les ingrédients Xe, oxydes, hautes pressions et hautes températures sont réunis dans d’autres contextes comme les réacteurs nucléaires ou la propulsion spatiale, où les limites de rendement et de durée de vie des composants pourraient être repoussées par une optimisation des matériaux.

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Publications

Neurotoxicity of environmental metal toxicants: special issue Ortega R., Carmona A. Toxics (2022) 10(7), 382

A Geant4 simulation of X-ray emission for three-dimensional proton imaging ofmicroscopic samples Claire Michelet, Zhuxin Li, H. Jalenques, S. Incerti, Philippe Barberet et al. Physica Medica, Elsevier, 2022, 94, pp.85-93.

Imaging the structural organization of chemical elements in growth cones of developing hippocampal neurons
Asuncion Carmona, Si Chen, Florelle Domart, Daniel Choquet, Richard Ortega
Metallomics (2022) 14(1), mfab073

Review of the Geant4-DNA Simulation Toolkit for Radiobiological Applications at theCellular and DNA Level Ioanna Kyriakou, Dousatsu Sakata, Hoang Ngoc Tran, Yann Perrot, Wook-Geun Shin et al. Cancers, MDPI, 2022, 14 (1), pp.35 

Expected yields of 181181Ta (e,e′)181181Ta∗∗ in the multi-keV range with a plasma-cathode electron beam Franck Gobet, A. Ya. Dzyublik, G. Gosselin, V. Méot, M. Versteegen. Physical Review C, American Physical Society, 2022, 105 (1),pp.014608. 

Status and Extension of the Geant4-DNA Dielectric Models for Application to ElectronTransport Ioanna Kyriakou, Dimitris Emfietzoglou, Sebastien Incerti. Frontiers in Physics, Frontiers, 2022, 9 

Imaging the structural organization of chemical elements in growth cones of developinghippocampal neurons Asuncion Carmona, Si Chen, Florelle Domart, Daniel Choquet, Richard Ortega Metallomics (2022) 14(1), mfab073 

Neutrino physics with an opaque detector, LiquidO Consortium (A. Cabrera et alo.), Commun Phys 4, 273 (2021).

Laser-driven Collisionless Shock Acceleration of protons from gas jets tailored by one or two nanosecond beams
J. Bonvalet, P. Loiseau, J.-R. Marques, E. Atukpor, E. d’Humières, J. Domange, P. Forestier-Colleoni, F. Hannachi, L. Lancia, D. Raffestin, M. Tarisien, V. Tikhonchuk, and Ph. Nicolaï
Physics of Plasmas, Vol.28, Issue 11 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0031313

THÈSES

par Arnaud Rémi MARES 15/12/2021

Recherches d’accélérateurs de protons dans la Galaxie avec le Fermi-LAT et les télescopes H.E.S.S.

par Vincent BOTTAU 2/12/2021

Optimisation de la mesure neutronique des coïncidences avec des scintillateurs plastique pour la caractérisation des déchets radioactifs.

par Veronika PALUOVA 4/11/2021

Simulation Monte Carlo du bruit de fond des détecteurs et analyse des caractéristiques du fond de l’expérience SuperNEMO dans le laboratoire souterrain de Modane.

par Carole CHATEL 4/11/2021

Section efficace de fission du 242Pu : Progrès théoriques et expérimentaux.

par Wook Geun Shin le 22/12/2020

Development and application of the Geant4-DNA toolkit for the simulation of radiobiological effects at the sub-cellular scale.

par Axel PIN le 16/12/20

Recherche de la nature du neutrino via la décroissance double bêta sans émission de neutrinos. Caractérisation et optimisation du calorimètre SuperNEMO et impact sur la recherche de la décroissance du 82Se. Développement du premier prototype LiquidO.

par Pilar PUYUELO VALDES le 5/10/20

Faisceaux d’ions accélérés par interaction d’un laser intense avec un jet de gaz dense et application à l’analyse élémentaire.

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