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Doctorat (F/H) "Nouvelle Valence de l'Oxygène dans le Manteau Terrestre: approche en expérimentale", IMPMC (Sorbonne Université) (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mardi 29 juin 2021

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Informations générales

Référence : UMR7590-EGLBOU-001
Lieu de travail : PARIS 05
Date de publication : mardi 8 juin 2021
Nom du responsable scientifique : Eglantine Boulard (CNRS, IMPMC) et Gérald Lelong (Sorbonne Université, IMPMC)
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

L'oxygène est l'élément chimique le plus abondant de la planète Terre (> 44 %). C'est un élément majeur des minéraux qui constituent les roches terrestres ainsi que des composés volatils naturels, tels que le CO2 et l'eau. Paradoxalement, son état de valence, sa spéciation et son degré d'oxydation à l'intérieur de la planète sont encore peu étudiés. Tous les modèles géochimiques actuels supposent que l'ion oxyde O2- (oxygène au degré d'oxydation -II) est la seule espèce présente dans les manteaux rocheux des planètes et donc dans la Terre. Cependant, la découverte récente de phases de haute pression de type peroxyde (comportant des groupements O22- avec de l'oxygène au degré d'oxydation -I) remettent aujourd'hui en cause cette conception générale. La présence de ces phases au-delà de 1800 km de profondeur, pourrait modifier notre compréhension des cycles géodynamiques de l'eau, de l'oxygène et de l'hydrogène et expliquer certaines hétérogénéités sismiques du manteau profond.

L'objectif de cette thèse est de déterminer les conditions de pression, température et d'environnement chimique permettant la stabilisation de cet état de valence -I de l'oxygène dans la Terre profonde. Pour cela, il est nécessaire de déterminer le diagramme de phase du système chimique Fe-O-H puis, dans un deuxième temps, d'étudier la possibilité d'avoir des solutions solides avec les cations majeurs du manteau terrestre. Le travail expérimental sera mené principalement en cellule à enclume de diamant couplée au chauffage laser. Une attention particulière sera portée à une description cristallographique et cristallochimique précise des phases de haute pression en combinant plusieurs techniques analytiques de pointes (par exemple diffraction X et Raman X sur synchrotron in situ) à des calculs ab initio notamment pour la modélisation spectroscopique. Il sera aussi possible de coupler cette approche expérimentale avec des calculs quantiques (Density Functional Theory, DFT) pour rationaliser un espace expérimental à grand nombre de paramètres et guider les expériences de haute pression et température.

Ces données théoriques et expérimentales serviront à alimenter un modèle de cycle planétaire profond de l'eau, de l'hydrogène et de l'oxygène et d'apporter des nouveaux éléments de réponses quant à la nature des hétérogénéités sismiques du manteau profond.

• mots clefs : manteau terrestre, cycle géodynamique de l'eau, diagramme de phase, expériences de haute pression et température, calculs ab initio, calcul DFT

• profil : nous recherchons un(e) candiat(e) motivé(e) pour des travaux expérimentaux et théoriques à l'interface entre la science des matériaux et la planétologie. Le/la candidat(e) devra avoir obtenu un master en géophysique, géochimie ou sciences des matériaux.

Contexte de travail

La thèse se déroulera à l'Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC), unité mixte de recherche en cotutelle entre le CNRS, Sorbonne Université et le Muséum National d'Histoire Naturelle. L'IMPMC rassemble des physiciens de la matière condensée, la science des matériaux, des biologistes, minéralogistes et cosmo-chimistes, offrant ainsi un cadre de recherche véritablement multidisciplinaire. L'IMPMC entretient des liens historiques avec les installations synchrotrons et possède une grande expertise dans les expérimentations à haute pression et les technologies liées aux cellules à enclume de diamant et aux presses gros volumes. Sur place, nous avons accès à un laboratoire de synthèse complet : des cellules à enclume de diamant et chauffage laser, des presses grand volume (piston-cylindre, presses Paris Edinburg, presse multi-enclumes), à une installation de micro-usinage par laser femtoseconde ; ainsi qu'à de nombreuses platemformes analytiques : microscopies électroniques (MEB et MET) ; découpe par faisceau ionique focalisé (FIB), une plateforme de diffraction des rayons X, mesures d'acoustique picoseconde et à divers spectromètres optiques (spectromètres Raman, infrarouge, Brillouin).
Le travail de thèse sera effectué au sein de l'équipe de recherche MP3 sous la supervision conjointe de Eglantine Boulard (investigatrice principale du projet ANR OXYGEN qui financera cette thèse) et Gérald Lelong (membre de l'équipe Verres et minéraux) ; au sein de l'École doctorale ED 397, Physique et Chimie des Matériaux de Sorbonne Université.
Nous proposons un doctorat stimulant et formateur, avec un caractère véritablement interdisciplinaire, qui mélange expérimentation dans des conditions extrêmes et modélisation, et qui présente à la fois un caractère systématique et un caractère développemental. Le/la candidat/e retenu/e acquerra des compétences en physique de la matière condensée, en science des matériaux et en planétologie.

Contraintes et risques

L'activité expérimentale proposée sera réalisée à l'IMPMC et dans plusieurs installations de lumière synchrotron. L'accès aux synchrotrons de troisième génération est accordé sur la base de propositions concurrentielles, mais compte tenu du mérite scientifique de nos propositions, de notre production scientifique dans des revues renommées et de la collaboration personnelle avec plusieurs scientifiques de lignes de faisceaux, cet accès aux installations synchrotron n'est pas perçu comme facteur limitant la réussite du projet. Certains temps de faisceau sont d'ores et déjà prévus pour la première année.
Effectuer des expériences dans des conditions de pression et de température extrêmes et l'obtention de données de haute qualité nécessite une grande maitrise lors de la préparation, de la caractérisation et du conditionnement des échantillons, ainsi que des protocoles de mesure et d'analyse rigoureux.
Plusieurs voyages nationaux et internationaux (principalement en Europe et Etats-Unis) seront nécessaires afin de réaliser les mesures prévues et pour participer à des réunions de collaborations et à des conférences.

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