Experimental study of the behaviour of phosphorus in reducing conditions: application to the core of Mercury

Abstract

Mercury, the closest planet to the Sun, poses intriguing questions in planetary science due to its extreme conditions and dense metallic core. This master thesis explores the role of phosphorus in Mercury’s geochemistry during its formation, a critical element that remains underexplored. Laboratory experiments were conducted with the piston-cylinder device to imitate Mercury’s early environment, focusing on high temperatures (1500-1700 °C), low oxygen fugacity (-6.01 to -1.74 ΔIW), and using enstatite chondrites as Mercury’s precursor materials. These experiments studied phosphorus distribution among metallic, silicate melt, and sulphide phases, revealing its preferential affinity for the metallic phase under reduced conditions. The use of advanced analytical techniques, such as Scanning Electron Microscopy (SEM), provided detailed insights into phase compositions, highlighting phosphorus’s potential significant incorporation into Mercury’s core. This understanding offers new perspectives on the planet density anomalies and implications for its thermal and magnetic properties. By refining geochemical models, this research contributes to a deeper comprehension of Mercury’s formation processes and extends implications to planetary bodies formed under similar conditions. Beyond planetary science, the study of phosphorus enriches discussions on the origins of life and the chemical evolution of celestial bodies. This study advances our understanding of Mercury’s geochemical evolution and underscores phosphorus’s larger implications in planetary science and astrobiology, providing crucial insights into the complexities of planetary interiors and their implications for our wider understanding of planetary systems.

Mercure, la planète la plus proche du soleil, suscite de nombreuses interrogations dans le domaine de la science planétaire en raison de ses conditions de formations extrêmes et de son noyau métallique très dense. Ce mémoire explore le rôle du phosphore, un élément peu étudié dans les études antérieures, dans la géochimie de Mercure lors de sa formation. Pour simuler l’environnement de Mercure, un set d’expériences a été réalisé en laboratoire à l’aide notamment du piston-cylindre, imposant des températures élevées (1500-1700 °C), une faible fugacité en oxygène (de -6.01 à -1.74 ΔIW) et en utilisant comme compositions de départ, celles de chondrites à enstatite, considérées comme blocs constructeurs de Mercure. Ces expériences ont permis d’étudier la répartition du phosphore entre le métal, le liquide silicaté et les phases sulfurées, révélant une affinité particulière pour le métal en conditions réduites. L’utilisation du Microscope Electronique à Balayage (MEB) a permis d’obtenir les compositions détaillées des différentes phases, mettant en avant l’incorporation significative du phosphore dans le noyau de Mercure. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives sur les anomalies de densité de la planète et de leurs implications sur ses propriétés magnétiques et thermiques. Cette recherche contribue à une meilleure compréhension des processus de formation de Mercure et ouvre des perspectives pour l’étude d’autres corps planétaires formés dans des conditions similaires. L’étude du phosphore a également son importance concernant les origines de la vie et l’évolution chimique des corps célestes. Cette étude avance notre compréhension de l’évolution géochimique de Mercure et souligne l’importance du phosphore en sciences planétaires et en astrobiologie, offrant ainsi des perspectives cruciales sur la complexité des intérieurs planétaires et leur contribution à notre compréhension globale des systèmes planétaires.