Sujets de thèse proposés en 2024
1- The role of ice on the formation of martian valley networks
Thousands of valley networks incise the Martian southern hemispheric highlands, and stand as a reflect of an ancient past characterized by active hydrology and surface liquid water. After a peak of valley network formation around ~3.8 Byr ago (Gya), surface water presence and active hydrology steadily decreased in activity throughout Mars’ history, until reaching Mars’ present state of a desertic, global cryosphere. Whereas surface liquid water activity is a robust interpretation of the conditions on early Mars (4-3.5 Gya), the role of ice in the formation of these valleys is much less understood. Indeed, the surface conditions at the time of valley network formation and generally throughout Mars’ history have fluctuated between subfreezing and melting, suggesting that ice may have played a significant – yet largely overlooked – role in valley network formation. Such a role likely included permafrost and ground ice melt, snowmelt, and glacial melt, with potential geographic variations such as those related to latitude distribution and elevation.
The objective of this project is to characterize the role of ice on the formation of valley networks on Mars, spanning both ancient valleys (>3.5 Gya) to comparatively much younger valleys (~100 Mya) through geomorphological observations of Martian valleys complimented with terrestrial analogue observations. This objective can be broken down into three: (1) Characterization of distinctive morphologies associated with permafrost and ground ice melt, to snowmelt, and to glacial melt leading to channel and valley development, (2) mapping martian valleys located in a focus study region on the north – northeast of Hellas basin, a known region of ice accumulation on Mars, (3) identifying the presence/absence of distinctive landforms and morphologies related to permafrost, snow, and glacial ice melt within the valley networks, noting their distribution and age dates to put the findings in the larger perspective of Mars’ long-term climate change.
> Contacts : Anna Grau Galofre (LPG) & Nicolas Mangold (LPG)
> Déposer un dossier de candidature avant le 13 mai sur le site de l’école doctorale 3MG
2- Caractérisation de l’activité quaternaire des failles du Massif Armoricain via une approche géomorphologique et géophysique
La France hexagonale est située loin des frontières de plaques et désormais considérée comme une zone continentale stable soumise à un champ de déformation faible, en particulier dans la région grand-ouest. Cela étant, les récents séismes du Teil (2019) et de La Laigne (2023) ont mis en évidence la méconnaissance des failles « actives » en France, et la nécessité de mieux les caractériser sur l’ensemble du territoire. Le massif armoricain est traversé par une multitude de failles crustales et de zones de cisaillement héritées, témoins d’une histoire riche, des orogénèses cadomienne et hercynienne, en passant par l’ouverture des bassins Méso-Cénozoïque et différentes phases de compressions Cénozoïque. La sismicité historique et instrumentale régionale montre une activité modérée, semblant suivre une direction SE-NW, de l’Auvergne au Finistère, en accord avec la direction des grandes zones de cisaillements. Malgré ces observations il reste difficile de clairement identifier quelles sont les failles actives de la région (c.-à-d. actives au cours du quaternaire, soit dans les 2 derniers Ma) et quel serait le moteur de la déformation.
Objectifs : ce sujet propose d’analyser les failles majeures du massif armoricain à la lumière des données hautes résolutions disponibles depuis quelques années. Guidé par les données de sismicité récente, et en se basant dans un premier temps sur l’imagerie satellitaire et topographique, le candidat ou la candidate réalisera une cartographie fine des structures et une analyse des interactions avec la morphologie associée à des dépôts quaternaires. Dans un second temps, les sites d’intérêts identifiés pourront être étudiés sur le terrain afin de compléter des mesures géologiques et déployer une instrumentation géophysique non destructive (électrique, radar, sismique) en vue d’évaluer la structure des failles en profondeur, et leur lien avec les escarpements observés en surface. Le but sera à la fois de détecter et de localiser précisément d’éventuelles discontinuités, mais aussi de caractériser la nature des terrains associés et, le cas échéant, de quantifier l’épaisseur de sédiments présents. Enfin, la candidate ou le candidat participera à la réalisation de tranchées paléo-sismologiques pour constater si les sédiments sont bien affectés par une potentielle déformation récente.
Environnements et collaborations : le LPG (site de Nantes) via l’Observatoire des sciences de l’univers Nantes Atlantique (OSUNA), s’occupe depuis plusieurs années des moyens d’observation et de la quantification de l’activité sismique le long des failles du quart nord-ouest de la France, ainsi que le développement de nouvelles techniques d’imagerie topographique haute résolution (LiDAR). Le candidat ou la candidate pourra bénéficier de l’expertise des sismologues, tectoniciens et géomorphologues présents au LPG, mais aussi profiter de collaborations en cours dans le cadre de projets financés par l’OSUNA (QASArm, ALEP, SALLE) avec des experts en géomorphologie et modélisation numérique de Geosciences Rennes, et en outils géophysiques non destructifs à l’Université Gustave Eiffel. Enfin, l’action FACT (Failles ACTives) lancée en 2019 au sein de l’IR Résif/Epos-France regroupe des experts nationaux en sismo-tectonique collaborants sur différents chantiers en France hexagonale.
> Contacts : Eric Beucler (LPG, Osuna) & Clément Perrin (LPG, Osuna)
> Déposer un dossier de candidature avant le 13 mai sur le site de l’école doctorale 3MG
3- Quelle est l’influence des épisodes de pluie intense sur la spéciation des métaux remobilisés et leur devenir ?
La croissance démographique, la transition énergétique et l’augmentation du niveau de vie ont pour conséquence une augmentation exponentielle des quantités de métaux extraits, tandis que les développements technologiques mènent à une diversification des métaux nécessaires au développement industriel, provoquant une augmentation sans précédent des rejets de métaux dans l’environnement. Les métaux sont considérés comme toxiques (ex du Cd) ou comme des oligoéléments (ex du Cu), mais l’augmentation de leurs concentrations au-delà de certains seuils dégrade la qualité des écosystèmes et menace la santé humaine et animale (concept « One Health ») dans les zones contaminées.
Les modèles climatiques prédisent que la fréquence, l’intensité et le nombre de précipitations extrêmes de courte durée ainsi que la variabilité des inondations augmenteront à mesure que le climat mondial évolue. Cet état de fait ne permet plus de contraindre avec précision le devenir et l’équilibre source-puits des métaux dans la zone critique (ZC) et par conséquent, les contributions globales du continent aux océans. Dans la ZC, les sols sont des puits de métaux, en particulier les zones humides. Leur cycle hydrologique (hautes eaux/basses eaux) favorise la formation de gradients chimiques et de processus biogéochimiques contrôlant le cycle des métaux. Les crues extrêmes se caractérisent par des niveaux d’eau et des débits nettement supérieurs aux niveaux oscillatoires observés au fil du temps. La balance source-puits de métaux dans les zones humides est alors déséquilibrée, augmentant les métaux exportés dans des délais très courts (« flash pollution ») et sous des formes physico-chimiques partiellement connues, éventuellement toxiques et dans des quantités et des concentrations qu’il faut estimer.
Objectifs :– Caractérisation du matériel exporté des zones humides lors de pluies extrêmes. Hypothèse : La fraction colloïdale est la principale responsable de l’exportation des métaux hors des zones humides.
– Influence de l’origine de la matière organique et de la spéciation du Fe pour la remobilisation des métaux
Hypothèse : La spéciation du Fe et les caractéristiques physicochimiques de la MO contrôlent la capacité de l’agrégat à transporter les métaux et à transformer leur spéciation, principalement par transfert d’électrons induit par l’activité microbienne.– Distribution des métaux, spéciation et composition isotopique Hypothèse : La remobilisation des métaux est principalement contrôlée par le processus redox lors des précipitations et des inondations.
Méthodologie :
Le sujet de thèse comprendra des expériences de terrains avec plusieurs campagnes de prélèvements et une caractérisation in situ et en laboratoire des échantillons et des expériences en laboratoires pour mimer les conditions observées pour travailler dans des conditions contrôlées et identifier les processus de remobilisation des métaux.
Les outils de base de la géochimie, de la minéralogie seront couplés à la géochimie isotopique, la
spéciation à l’échelle moléculaire (techniques de spectroscopie) et la microbiologie.> Contacts : Gildas Ratié (LPG) & Yann Morizet (LPG)
> Déposer un dossier de candidature avant le 13 mai sur le site de l’école doctorale 3MG
4- Mesures des propriétés physico-chimiques des verres et vitrocéramiques alumino/boro/silicatées dans le cadre de l’immobilisation des éléments polluants issus de l’énergie nucléaire
L’indépendance énergétique de la France repose sur l’utilisation de l’énergie nucléaire. Si cette source d’énergie à l’avantage d’être continue, elle a le désavantage de produire des déchets radioactifs dangereux pour les populations et nécessitant leur incorporation dans des matrices d’immobilisation qui restent stables sur des temps géologiques en domaine naturel. Dans le cycle de l’énergie nucléaire, la gestion des déchets ultimes est une étape primordiale. Certains radioisotopes (36Cl, 77Se, 129I) du fait de leur forte volatilité ne bénéficient pas de solution adéquate pour leur immobilisation. Nos connaissances des systèmes magmatiques en conditions extrêmes en Sciences de la Terre et en chimie inorganique en Sciences des Matériaux nous ont permis de développer un protocole d’immobilisation de ces éléments dans des matrices (verres et vitrocéramiques) synthétisées sous conditions de haute-pression.
La validation de ces matrices particulières pour un entreposage en domaine naturel implique trois prérequis : 1) une incorporation importante de ces radio-éléments, 2) une bonne durabilité chimique et 3) une grande résistance mécanique. Si ces dernières années nous avons fortement progressé dans l’optimisation de l’incorporation des déchets nucléaires volatils et de la durabilité chimique associée, l’étude de leur résistance mécanique reste méconnue. Le lien existant entre les trois aspects reste aussi établir. Répondre à ces objectifs nécessite une approche expérimentale multi-échelle : depuis l’étude de l’échelle atomique jusqu’aux propriétés macroscopiques. S’en suit une étape de modélisation permettant ainsi de cibler les compositions de matrices adéquates pour l’immobilisation pérenne de ces radioisotopes.
Ce sujet de thèse vise à étudier les changements de propriétés physico-chimiques de verres et vitrocéramiques dopées en polluants volatils (i.e. Cl, Se et I) synthétisées dans des conditions de haute-pression. Les trois objectifs principaux de ce travail de thèse sont d’évaluer 1) les propriétés de résistance mécanique, 2) la durabilité chimique des matrices produites et 3) d’établir le lien entre les deux premiers.
Cette thèse s’appuiera sur une approche expérimentale de synthèse en conditions extrêmes de matériaux vitreux dans un premier temps et de vitrocéramiques dans une étape plus poussée. Les matériaux ainsi produits seront étudiés en suivant trois volets : 1) la caractérisation des structures atomiques, 2) l’étude de résistance mécanique des matériaux synthétisés et 3) la modélisation des propriétés physique en fonction de la structure à l’échelle atomique. Les deux premiers seront menés conjointement (2/3) et le troisième à l’issue des deux premiers (1/3).
Les laboratoires impliqués sont le LPG et l’IMN. En outre, nous interagirons fortement avec le laboratoire Subatech qui dispose de connaissance approfondie dans le domaine de l’immobilisation des déchets nucléaires en milieu naturel. Nous envisageons des collaborations externes avec l’Institut de Physique de Rennes (IPR) et l’Université de Sherbrooke pour les propriétés mécaniques des matériaux synthétisés.> Contacts : Yann Morizet (LPG), Dimitri Deneele (IMN) & Mickaël Paris
> Déposer un dossier de candidature avant le 13 mai sur le site de l’école doctorale 3MG
5- Impact of gas and ions filled ices on the structure and evolution of large ocean worlds
Exploration of Jupiter’s and Saturn’s system by space missions (Galileo, Cassini-Huygens) revealed that some of their icy moons possess a salt water ocean under their cold icy surface. Observations of various sulfate and chlorinated salts on the surface of Europa and Ganymede as well as in the eruptive plume of Enceladus suggest an oceanic origin and put some constraints on the possible oceanic composition. For the largest moons (Ganymede, Callisto and Titan), due to high pressure reached in their deep interior, the existence of high pressure ice phases capable of incorporating into their lattice large amounts of salt compounds, called salt-filled ices, may strongly affect the chemical differentiation processes leading to the formation of subsurface oceans. Similarly to the case of salty ices, light gas compounds, such as H2, CH4 and N2, may also be incorporated in filled-ice structures, and thus could be stored in the deep interior and sporadically released during the interior evolution. These icy moons likely formed from a complex mixture of ices, organics and silicate minerals, which subsequently evolves as their interior progressively warm up and chemically differentiate. Beyond large ice moons, similar processes may affect the thermo-chemical structure and evolution of water-rich exoplanets and their atmosphere composition. Storage and transport of salt and light gas compounds by filled-ice phases may have a major impact on the chemical evolution and hence the habitability of these ocean worlds.
The present PhD project is part of the ANR project “EXOTIC-ICES” (2024-2028), involving three laboratories in France (IMPMC, LPG, IPGP), dedicated to the characterization of the exotic properties of gas and ions filled ices under extreme conditions and their implications for water-rich planetary interiors. In this context, the goal of the PhD work is to determine under which planetary contexts, salt and gas filled-ice phases may exist and to characterize their impacts on the internal structure, dynamics and chemical evolution of large icy moons and extrasolar water-rich planets. This modeling work will rely on the experimental data and ab initio calculations provided by the project partners (IMPMC & IPGP in Paris) regarding the stability and properties of filled-ice phases. Using thermal convection codes and 1D parameterized models, we will quantify how much H2 and CH4 may be released by water-rock interactions and thermal degradation of organic compounds, stored in filled-ice phases and subsequently transported through the hydrosphere to the surface. These models will be used to predict the release rate of H2/CH4 through time and its impact on the atmosphere evolution of Titan and water-rich exoplanets, such as Trappist-1 planets. Salt-ice-water interactions will also be modeled throughout the evolution of these ice-rich interiors from accretion to present, and will be used to predict the partitioning of salt compounds between the ocean and the high-pressure ice mantle. Using the model results, synthetic density and electric conductivity profiles considering different salt contents and distributions will be constructed and will be used to predict the magnetic and gravimetric signatures of salt partitioning between the ocean and the high-pressure ice layer in preparation of the ESA Juice mission.
> Contacts : Gabriel Tobie (LPG), Gaël Choblet (LPG), Livia Bove (IMPMC)
> Déposer un dossier de candidature à partir du 1er avril et jusqu’26 mai sur le portail emploi du CNRS : https://emploi.cnrs.fr/Offres/Doctorant/UMR6112-GABTOB-002/Default.aspx
6- Incorporation du soufre dans les coquilles de foraminifères afin de découvrir la chimie passée des carbonates océaniques
La composition chimique de la coquille des foraminifères reflète la composition de l’eau de mer qui varie en fonction des paramètres physico-chimiques du milieu. La répartition cosmopolite des foraminifères, leur grand potentiel de préservation et leur abondance dans les archives océaniques font de ces organismes le candidat idéal pour reconstituer le climat passé des temps profonds. Actuellement, le développement et l’application de proxys biogéochimiques visent à déterminer l’évolution du cycle passé du carbone, ce qui est essentiel pour comprendre la réactivité passée et future du climat aux émissions atmosphériques de CO2.
L’objectif de cette thèse sera de développer et de calibrer un nouvel outil géochimique de caractérisation du système carbonaté. Nous proposons de développer (calibrer, valider et appliquer) un proxy basé sur l’incorporation de soufre dans les coquilles des foraminifères, comme nouvel indicateur de la concentration en ions carbonates [CO32-]. On suppose que les valeurs S/Ca des foraminifères changent avec [CO32-] en raison de la substitution de SO42- par CO32- dans le réseau cristallin. Ainsi, le rapport SO4/CO3 dans l’eau de mer peut être reconstitué par le rapport S/Ca des foraminifères par mesures ICP-MS. Des étalonnages en conditions contrôlées sont nécessaires sur diverses espèces de foraminifères. Pour relever les défis liés à l’application du proxy S/Ca comme traceur [CO32-], nous utiliserons une suite de techniques pour étudier l’incorporation de soufre dans la calcite foraminifère (µXRF, NanoSims, ICP-MS), et nous réaliserons des expériences contrôlées par le CO2 en laboratoire et appliquerons les étalonnages sur des foraminifères à partir d’échantillons géologiques.
> Contacts : Emmanuelle Geslin (LPG), Inge van Dijk (LPG) & Christine Barras (LPG)
> Déposer un dossier de candidature avant le 17 mai sur le site de l’école doctorale VAAME
7- Aeolian processes as morphologic agent on Pluto, a comparative study
Objectives of the scientific projects:
It will be 10 years in 2025 since the New Horizon mission flew over Pluto, revealing surprising icy landscapes of CH4 bladed terrain and plains of N2, Sputnik Planitia, at the heart of Pluto that contrasts sharply in color and appearance with Cthulhu Regio at the equator. These differences testify to the ages and processes at the origin of these highly varied terrains. Given the temperature and pressure conditions on Pluto, wind combined with sublimation could be a highly effective geomorphic agent, responsible for various bedforms such as penitents and sublimation waves. Aeolian processes on planetary surfaces are known to produce bedforms such as ripples and dunes made of loose sediment grains (e.g. sand), or rock or ice (without grain transport). On the one hand, their geometric and kinematic characteristics (e.g., shape, size, orientation, migration direction, migration velocity and growth rate) constitute geomorphic markers to constrain surface-atmosphere interactions and climate models (e.g. the dune orientation on Titan). On the other hand, from known atmospheric and surfaces conditions, scaling laws can be applied to predict aeolian bedforms characteristics for various planetary environment, assuming the processes involved are the same. While the physics behind the formation and development of loose bedforms is well understood, it is not the case for the icy bedforms for which limited quantitative information and modeling exists in the literature.
The intriguing icy bedforms observed on Pluto’s N2 and CH4-rich surfaces therefore constitute a new laboratory to study the processes involved. Volatile sublimation and/or condensation have been invoked to explain the CH4-rich Bladed Terrain Deposits, but the exact mechanisms remain to be modeled. Aeolian icy dunes of CH4-rich grains have been proposed for the Sputnik Planitia bedforms but the morphology of these terrains rather recalls that of “icy sublimation waves”, observed on some water ice deposits on Earth and Mars. These sublimation waves, which result from an instability mechanism between the sublimation of the ice and the turbulent winds, have been modeled in 1D with the theoretical model OnDiNe, developed at LPG. This model predicts that similar waves could occur on Pluto. Condensation waves could also take place, but have not been explored or modeled yet on Mars or Pluto.
The objective of the Thesis is to understand the formation of the periodic bedforms observed on Pluto, identify the dominant mechanisms and compare to similar features elsewhere in the Solar System to analyze the universality of the processes involved.
To achieve this goal, we (the PhD student and the team) will first study experimentally the influence of wind as a morphologic agent over a sublimating icy substrate in the emergence of bedforms, in order to validate scaling laws proposed for sublimation patterns on Earth and Mars. These experiments are key, because there are no extensive data on icy bedforms and therefore it remains unclear how their characteristics evolve depending on the parameters of the environment (e.g. migration velocity and characteristic time of emergence have only been observed for the case of Blue Ice Area in Antarctica). Our experiments (in a controlled environment) will fill this gap and constitute the first complete database for sublimation bedforms (experiments with condensation remain complicated to design, but we will look for solutions). Second, we will develop the analytical model OnDiNe for the formation of periodic icy bedforms. Steps of validation will be performed by using data from Antarctica and the Martian polar cap, in the continuity of previous studies at LPG. In parallel, we will map the morphology of the terrains of interests on Pluto (ridges spacing, direction, etc.,), and then OnDiNe will be applied to Pluto to provide insights into the dominant processes forming the bedforms and constraints to the environmental conditions on Pluto. This will fill a comparative planetology study. Finally, we will make use of the Pluto climate models developed at LMD and LESIA by A. Falco and T. Bertrand to simulate at high spatial resolution the formation and growth of the Bladed Terrain Deposits over geological timescales.
> Contacts : Sabrina Carpy (LPG), Gabriel Tobie (LPG) and T. Bertrand (LESIA)
> Déposer un dossier de candidature jusqu’au 11 mai sur le site de l’école doctorale 3MG