PLAN QUADRIENNAL 2009-2013 Laboratoire de Minéralogie & Cosmochimie du Muséum LMCM USM 205 MNHN UMS 2679 NanoAnalyses Directeur : François Robert - 5 -
- 2 -
Tome 1 A/ Le LEME (UMS 2679) Introduction générale I. L UMS NanoAnalyse et de l unité Muséum «LEME» I.1 Organisation et tutelles. Page 5 I.2 Organigramme et présentation succincte des personnels. Page 5 II. Les tâches de service du LEME II.1 La plateforme analytique. Page 13 II.2 La NanoSims 50. Page 15 II.3 La collection de météorites. Page 17 III. Bilan III. 1 Résultats marquants. Page 27 III.2 Bilan financier. Page 32 III.3. Insertion au sein du Muséum National d Histoire Naturelle. Page 34 III.4. Relations avec l extérieur. Page 35 IV. Prospectives IV.1 L avenir de la plateforme analytique. Page 37 IV.2 Stratégie scientifique - Thématiques propres. Page 39 IV.3 L évolution du personnel. Page 45 IV.4 La collection de météorites : valorisation et réinstallation. Page 47 IV.5. Un grand projet de R&D : vers l imagerie moléculaire? Page 52 V. Les facteurs limitant le développement du laboratoire Page 53-3 -
B/ Minéralogie-Pétrologie (UMR Rapport Scientifique (2003-2007) Page 50 Minéralogie Systématique ; gemmologie Page 55 Minéralogie-Pétrologie du Manteau terrestre Page 58 Météorites SNC Page 63 Métaux précieux dans le manteau Page 66 Bibliographie-Congrès-Ouvrages-Thèses Page 73 Activités Internationales Page 99 Contrats Page 101 Informations scientifiques et techniques Diffusion Page 102 Gestion des collections Page 107 Projet 2009-2012 97 Page 113 Plateformes analytiques Page 143 Formation permanente Hygiène et sécurité Page 147 C/ Demande de création d un UMR commun aux deux équipes Laboratoire de Minéralogie et Cosmochimie du Muséum (LMCM) Fiches UR1 Page 1 Organigramme Page 8 Recrutements Page 11 Acquisitions lourds et mi-lourds Page 12 Equipe Minéralogie - Géodiversité : thématiques Page 12 Equipe Cosmchimie : thématiques Page 21 Fiches UR2 & UR3 Page 29 Tome 2 Annexes au texte du LEME - 4 -
Introduction générale La restructuration du Muséum a été une occasion unique de créer des unités de recherche structurées autour de nouvelles orientations de recherche fondamentale. C'est dans ce cadre que s est constitué le Laboratoire d Etude de la Matière Extraterrestre (LEME) dont le but est de reconstituer les conditions d'apparition de la Vie, de la formation de la Terre et du Système planétaire dans son ensemble. Entre 2003 et 2005, les recherches menées au LEME se sont appuyées sur l'étude des météorites chondritiques, témoins de la formation notre système solaire. Depuis 2006, de nouveaux axes de recherche ont vu le jour notamment avec les travaux réalisés à la NanoSims sur la Biominéralisation des coraux, la nanopaléontologie du Précambrien, ou sur les échantillons cométaires rapportés par la mission spatiale Stardust. Ces nouveaux axes de recherche tirent partie des compétences du LEME, historiquement inscrites dans l histoire de cette équipe au Muséum, à savoir: Une connaissance approfondie de la nature de la matière extraterrestre et du comportement des isotopes lors de sa formation et de son évolution Une longue expérience de la mesure à la sonde ionique et en microscopie (optique et électronique). Nous pouvons replacer les recherches poursuivies actuellement au LEME dans le contexte général suivant : L observation du ciel nous apprend que la matière constituant les planètes du système solaire est contemporaine du soleil. Condensée il y a 4,567 milliard d années dans le disque protoplanétaire, cette matière est constituée de poussières soit néoformées soit héritées du milieu interstellaire. On sait aujourd hui que ce disque était animé de violents mouvements de turbulence qui brassaient la matière dans l ensemble du disque jusqu aux confins du système solaire. On sait également que la surface de ce disque était éclairée par une lumière ultraviolette très intense, issue des jets bipolaires du soleil en formation. Une chimie particulière, caractéristique des plasmas froids, se déclenchait à la surface du disque. Cette chimie est pour l instant largement incomprise, et peu étudiée. Tout près de l étoile, l irradiation du disque par des noyaux alpha et des protons de plusieurs dizaine de MeV a certainement provoqué une nucléosynthèse locale via des réactions nucléaires dites de spallation - dont les produits renferment des signatures isotopiques distinctes, présentes encore aujourd hui dans certains minéraux des météorites. - 5 -
Si le gaz du disque est bien mélangé à toutes les échelles dans le système solaire, il n en va pas de même pour les solides à l échelle de la résolution de nos instruments d analyse. En effet si la turbulence a homogénéisé tous les solides de dimension inférieure au centimètre, au niveau individuel chacun a conservé sa composition propre, chimique et isotopique. C est ainsi que d énormes variations isotopiques ont été préservées dans les minéraux des météorites. Elles sont interprétées comme des reliques des milieux interstellaires antérieurs à la formation du système solaire, mais constituent un défi à notre compréhension de l origine de la matière. Aucune théorie physique n est pour l instant en mesure d expliquer les détails de leurs variations, d en calculer les espèces et les variétés, ni d en prédire de nouvelles Dans ces milieux interstellaires, des minéraux se condensent dans l atmosphère d étoiles en fin de vie, ou se forment vers 10K, dans d immenses nuages pré-stellaires, sous l action des rayonnements ionisants de la Galaxie. Ces minéraux peuvent survivre à l effondrement du milieu interstellaire local pour former le disque protoplanétaire et être encore présents dans les premiers planétoïdes du système solaire dont les météorites sont les débris. Faire la part de toutes ces contributions dans la matière qui constitue les planètes est l enjeu majeur de la cosmochimie moderne. Il n existe aujourd hui aucun consensus sur ces questions. Voici en quelques mots, la thématique du laboratoire replacée à la croisée des chemins entre l Astrophysique et les Sciences de la Terre et pour laquelle les météorites sont les témoins irremplaçables de ces premiers instants. Avec l arrivée au laboratoire de la sonde ionique NanoSims, un second axe de recherche s est ouvert spontanément, sans projet préalable bien défini. Il s agit de la biominéralisation. Le terme de biominéralisation désigne l étude des processus par lesquels les organismes vivants forment des minéraux, des «biomatériaux». Ces processus bien que contrôlés au niveau cellulaire ont un impact planétaire sur l environnement. Par exemple, les carbonates fabriqués par les coraux, les mollusques, les foraminifères, forment une partie importante de la sédimentation océanique. Les carbonates bactériens sont présents dans tous les environnements naturels. C est ainsi que l étude des processus de biominéralisation des carbonates qui se manifestent à des échelles couvrant 12 ordres de grandeur, est commun à de nombreuses communautés scientifiques. Outre leur impact sur l environnement, les mécanismes biologiques à l origine de la cristallisation des carbonates restent mal compris. Cette incompréhension a des conséquences sérieuses en Sciences de la Terre. Par exemple les carbonates coralliens sont souvent utilisés pour reconstituer des paléoclimats à l échelle planétaire. Mais tous les carbonates résultent-ils de la même biosynthèse? Quelle est l influence de la précipitation des carbonates sur le - 6 -
climat global de la Terre? Quelles sont les signatures biologiques des bio-carbonates? Autant de questions qui motivent une grande partie de la communauté des Sciences de la Terre étudiant dans les processus de surface et les changements climatiques. Il apparaît aujourd hui de plus en plus clairement que les réponses à ces questions sont à rechercher à l échelle submicrométrique, c est-à-dire à l échelle de la membrane cellulaire. Parallèlement à ces questions sur la biosynthèse des carbonates, nous avons mis en évidence le fait que la matière organique constitutive des entités cellulaires (membranes, noyaux) pouvait être préservée dans le processus de fossilisation. Cette observation ouvre la voix à l étude d une «nanopaléontologie du Précambrien», période dominée par des organismes simples, souvent unicellulaires, sans tissus constitués. Avec cette nouvelle thématique, nous aborderons la recherche systématique des tapis bactériens et de colonies bactériennes dans les plus vieux sédiments siliceux de la Terre, les cherts de l Archéen. Cette recherche représente la «part du risque» de notre laboratoire. - 7 -
- 8 -
I. L UMS NanoAnalyse et de l unité Muséum «LEME» I.1 Organisation et tutelles Outre une activité purement scientifique, le LEME a deux charges de service à vocation nationale et internationale (1) dans le cadre du«service National de l INSU», celle de réaliser des analyses chimiques et isotopiques avec la NanoSims 50 (la dernière génération de sonde ionique) et celle (2) de conserver pour les générations futures, d augmenter et de valoriser par la recherche fondamentale la collection nationale de Météorites du Muséum. La NanoSims est placée sur une plateforme analytique qui héberge également une sonde ionique ims 3f et un Microscope Électronique à Balayage (MEB). La jouvence des instruments scientifiques qui sont placés sur cette plateforme nationale sont à la charge de l INSU-CNRS. Leur financement est soumis à la rédaction d un rapport d activité qui permet à l INSU et au Muséum d évaluer les travaux scientifiques issus des mesures NanoSims, ainsi que de définir la répartition du temps d analyse pour les équipes de recherche (actuellement 30% MNHN, 30% CNRS-France et 30% LEME). Le Muséum, pour sa part, prend en charge les dépenses afférentes à la gestion de la collection de météorites. Pour des raisons historiques, la dotation du laboratoire contribue de façon significative à ces dépenses de gestion. Cette situation devra évoluer dans les années à venir, car elle crée une tendance au désengagement réciproque des deux tutelles (CNRS et MNHN), notamment en matière de personnel et de dépenses pour la classification de nouveaux échantillons. I.2 Organigramme et présentation succincte des personnels L UMS NanoAnalyse (UMS 2679 du CNRS) et le LEME sont deux dénominations administratives qui recouvrent (presque) exactement la même unité quant à son Directeur, ses chercheurs, ses locaux, ses crédits, ses instruments. Répartition des fonctions Professeur Muséum et DR-CNRS : 3 personnes Maîtres de Conférence et CR-CNRS : 5 personnes Ingénieurs d étude et ingénieur de recherche : 4 personnes AJT : 1 personne - 9 -
Attachés Honoraires Muséum : 3 personnes Organigramme succinct Taches collectives François Robert (DR-CNRS) Directeur - ims 3f Anders Meibom (Prof. Museum) Responsable plateforme analytique David Smith (Prof. Museum) Responsable Raman Catherine Caillet (MdC Muséum) Collection- Public Matthieu Gounelle (MdC Muséum) MEB+Chargé de Collection Nicole Guilhaumou (CR-CNRS) Raman Claude Perron (CR-CNRS) Collection Brigitte Zanda (MdC Muséum) Chargée de Collection Michèle Denise (IE-CNRS) MEB + Classification Rémi Duhamel (IE-CNRS) MEB, ims 3f, NanoSims Christine Fiéni (IE-CNRS) Collection-Echantillon NanoSims Smail Mostefaoui (IR MNHN) NanoSims Marianne Ghelis (Attaché Honoraire Muséum) Collection Claude Lorin (Attaché Honoraire Muséum) Collection- Public Madeleine Selo (IR-CNRS; Attaché Honoraire Muséum) Gestion Administration Jean-Jacques Pantel (AJT) Entretien Roger Hewins (Rutgers - USA) Professeur Université Elodie Tronche ( 3ème année) Doctorante Aurélien Thomen (Doctorant 1ère année) Doctorante Présentation du personnel Le personnel est placé autour des deux axes fondateurs du LEME : la collection de météorites et la plateforme analytique. Autour de chaque instrument, nous avons placé une équipe de deux personnes constituée d un chercheur et d un ingénieur. Le chercheur a la responsabilité des thématiques scientifiques qui sont abordées par l instrument et l ingénieur est responsable de l acquisition de données et de leur qualité. Toutefois, le chercheur est aussi un utilisateur de l instrument et il seconde l ingénieur dans toutes les étapes d acquisition de ces données. - Autour de la NanoSims : Anders Meibom (Pr. MNHN) et Smail Mostefaoui (IR MNHN) - Autour de la sonde ionique ims 3F : François Robert (Dr. CNRS) et Rémy Duhamel (IE CNRS). Rémy Duhamel est électronicien et il intervient aussi sur la NanoSims. - Autour du MEB : Matthieu Gounelle (MdC MNHN) et Michèle Denise (IE CNRS) - Autour du Raman portable : David Smith (Prof. MNHN) La collection de météorites est gérée par deux Chargés de collection Brigitte Zanda et Matthieu Gounelle (MdC MNHN) aidés par Christine Fiéni (IE CNRS). - 10 -
D autres chercheurs participent à la gestion de la collection (cf. organigramme) : expertise des demandes de dons d échantillons pour les laboratoires (C. Perron), identification et classification de nouveaux échantillons (M. Denise), accueil du public et expertises (J-C Lorin, Attaché Honoraire MNHN, C. Caillet MdC MNHN), préparation des échantillons (M. Ghelis, Attaché Honoraire MNHN). Madeleine Selo (Attaché Honoraire MNHN) assure - pour l ensemble du LEME - la gestion financière et administrative ainsi que les relations avec les administrations qui gèrent nos crédits (INSU, CNRS Paris Est, CNES, Ministère, Région, MNHN) et avec nos fournisseurs. Elle est secondée par Elisabeth Malassis (MNHN) qui partage son temps de secrétariat entre les deux laboratoires présents dans le bâtiment (l UMR J-P. Lorand et l UMS F. Robert). Jean-Jacques Pantel (AJT MNHN) assure la maintenance de tout le petit matériel de laboratoire, des locaux et du mobilier pour toutes les équipes. Nicole Guilhaumou (CR CNRS), depuis son rattachement à notre équipe, a recentré son activité sur la microanalyse Raman et IR-Synchrotron des fluides dans les météorites choquées (bencubbinites) avec C.Perron et C.Fieni, et les inclusions vitreuses des météorites primitives ave E. Tronche. Elodie Tronche termine sa thèse sur un travail expérimental sur la formation des chondres et sur la mesure à la NanoSims des profils de diffusion dans les inclusions vitreuses des chondres. Aurélien Thomen débute une thèse sur les échantillons de Stardust. Plateforme analytique et collection de météorites Les responsabilités scientifique et analytique de la NanoSims ont été confiée à Anders Meibom, Professeur au Muséum, recruté en 2004 et à Smail Mostefaoui (IR-MNHN), recruté en 2005. Le développements des protocoles de mesures qui permettront (1) au LEME de poursuivre ses thématiques propres mais qui ne se limiteront pas à la cosmochimie et (2) à l'ensemble des laboratoires du Muséum et nationaux d'utiliser la NanoSims dans le cadre du Service National d'analyse de l INSU. Remi Duhamel (IE-CNRS), recruté en 2005, assure une partie de la maintenance de l instrument et en particulier de l électronique. La gestion et le développement des procédures d acquisition des mesures à la sonde ionique ims 3f, sont confiés à Remi Duhamel. La définition des protocoles de mesure et les thématiques scientifiques seront assurées par François Robert qui a une expérience de la sonde ims 3f du CRPG à Nancy. La gestion de l emploi du temps du MEB et l acquisition des images microscopiques sont confiées à Matthieu Gounelle, Maître de Conférence MNHN, recruté en 2005 et à Michèle - 11 -
Denise (IE-CNRS). La maintenance technique du MEB est assurée par Remi Duhamel. Le LEME a acquis ce MEB sur ses crédits propres (Projet Européen Origins et ANRcosmochimie). Un système EDX a été acquis grâce au projet européen Origins. Placé à coté de la NanoSims, cet instrument est un complément indispensable pour caractériser «en temps réel» la minéralogie et la composition chimique des surfaces analysées à la NanoSims. Ce MEB sera accessible (gratuitement) aux autres laboratoires du Muséum dans la mesure où les analyses NanoSims en cours le permettront. La réalisation (polissage et montage) des échantillons pour l analyse NanoSims et ims 3f est souvent assurée par Christine Fiéni (IE-CNRS). Une collection de sections polies de météorites emblématiques a été réalisée par Brigitte Zanda et Michèle Denise, spécifiquement préparée pour les analyses à la NanoSims. Jean-Jacques Pantel (Contractuel MNHN) assure l ensemble de la maintenance de tout le petit matériel sur la plateforme; son action est irremplaçable. L ensemble de la gestion de la plateforme (finances, budget, commandes, contrats, conventions, échéanciers de paiements de la NanoSims) est assurée par Madeleine Selo, (Attachée Honoraire Muséum) qui a pris sa retraite en 2006. Cette gestion est lourde et elle y consacre 100% de son temps. Pour l instant l INSU ne nous a pas attribué un poste de gestionnaire. Ce mode de fonctionnement administratif est anormal. Il ne dépend que de la volonté Madeleine Selo à poursuivre en retraite le développement d un laboratoire pour lequel elle s est énormément impliquée à sa création. La gestion de la collection de météorites a été assurée ces quatre dernières années par Brigitte Zanda. Cette gestion est trop lourde pour un seul chercheur et Brigitte Zanda y consacre certains mois, 100% de son temps. Cette tâche de service devrait s alléger à partir de 2007 car Matthieu Gounelle sera nommé «Chargé de collection», co-responsable avec Brigitte Zanda de cette collection de météorites. Brigitte Zanda est aidée par Christine Fiéni et Jean-Jacques Pantel pour le classement des échantillons, classement qu il faut assurer en continu et à plein temps car nous gérons plus de 150 «dons d échantillons pour la Recherche» par an! Michèle Denise classifie c.a.d. détermine des compositions chimiques à l échelle minéralogique - les échantillons découverts par des marchands ou des collectionneurs. Catherine Caillet et Jean-Claude Lorin (Attaché Honoraire) accueillent les chercheurs de trésors et un grand public gourmand d identification de pierres ramassées au hasard des promenades (cf. Annexes). Toute cette activité autour de la collection prend beaucoup (trop!) de temps ; elle est souvent méconnue par les procédures d évaluation. Elle reste néanmoins une des missions incontournable de notre Etablissement. - 12 -
II. Les tâches de service du LEME II.1 La plateforme analytique Le LEME - le Laboratoire d Etude de la Matière Extraterrestre, unité propre au Muséum - s est constitué autour (i) de la collection de météorites du Muséum et (ii) d une sonde ionique de dernière génération : la NanoSims 50. Cette sonde ionique a été placée dans des locaux construits spécifiquement pour cet instrument. Néanmoins ces locaux ont été conçus afin d accueillir d autres instruments de mesure et une autre équipe de recherches appartenant au Département SHS du CNRS. Cette dernière utilise les compositions isotopiques pour aborder des thématiques d Archéozoologie. Elle a installé dans ces nouveaux locaux, un couplage «passeur de carbonate - spectromètre de masse» spécifiquement dédié à la mesure des compositions isotopiques en oxygène et en carbone. Dans ce chapitre sur les «Tâches de service du LEME», nous ne présenterons que l instrumentation gérée par le LEME sur ce plateau analytique. Outre la NanoSims, le LEME s est doté d une sonde ionique ims 3f (achetée d occasion à l Université de Marne-la-Vallée) dont le but est de mesurer en mode ponctuel des compositions isotopiques ou des concentrations en éléments chimiques à des niveaux habituellement inatteignable à la sonde électronique (H-Li-B-Be-C). La remise en route de cet instrument, soutenu financièrement par le budget de notre ANR cosmochimie, a débuté en septembre 2006 ; des analyses de routine sont attenduesen 2008. Nous avons acquis un MEB (Microscope Electronique à Balayage) d occasion, pour la somme symbolique de 5000 Euros... Ce MEB faisait partie du service commun d analyse de l Université Paris 6. Plusieurs chercheurs et ingénieurs du LEME ont travaillé depuis des années sur ce microscope et en connaissent parfaitement le fonctionnement. Grâce à un financement Européen obtenu par l un de nous (Matthieu Gounelle, MdC MNHN), nous avons acquis un système d analyse chimique EDX.Cet équipement permettra de déterminer rapidement les compositions minéralogiques de zones dont les compositions isotopiques auront été repérées à la NanoSims. La plateforme analytique est complétée par du petit matériel permettant de réaliser en amont toute une série d opérations indispensables à l utilisation des sondes ioniques nanosims et ims 3f. Nous avons ainsi acquis un microduromètre qui permet de tracer des repères dans un axe X-Y avec une précision micrométrique. En 2007, nous avons l intention d acquérir un spectromètre Raman portable. Cet instrument a des applications muséologiques, via l identification rapide de minéraux éloignés de - 13 -
quelques mètres de l expérimentateur ou placés derrière une vitre. La gestion scientifique de cet instrument est confiée à David Smith (Pr. MNHN) qui a une très longue expérience de la spectroscopie vibrationnelle. Ce Raman d utilisation simple, rapide et opérationnelle sera très utile aux utilisateurs de la NanoSims. Certains échantillons pourraient être étudiés successivement par tous ces instruments. Cela permettrait de caractériser qualitativement la composition minéralogique sur une zone de quelques centaines de microns carrés et quantitativement sa composition chimique et isotopique. Cette expertise technologique nous place dans une position concurrentielle vis-à-vis de l analyse des futurs retours d échantillons extraterrestres (comètes, astéroïdes, Mars..) dont la taille restera micrométrique pour encore quelques décennies. Vouloir réaliser ce projet au Muséum relevait du bon sens car c'est l'organisme qui héberge la collection nationale de météorites. Avec le CRPG à Nancy, nous avons fait depuis 1990 l'expérience des mesures isotopiques ponctuelles, in situ, à l'échelle de 10 μm, grâce à un instrument national, la microsonde ionique (SIMS) Cameca 1270. Dans le cas des prochaines missions spatiales, la taille des grains n excédera rarement 10 μm, donc à la limite des possibilités d'analyses de la microsonde 1270. La nouvelle génération de SIMS - la NanoSims - permet aujourd'hui d'atteindre une résolution spatiale 0,05 μm. Il était donc évident que pour conserver sa place de leader dans les thématiques isotopiques, la France devait se doter à court terme d'une NanoSims. Ce projet d analyse de la matière extraterrestre complète en quelque sorte le paysage français où se développent (1) au CRPG à Nancy, des mesures isotopiques réalisées soit avec une génération précédente de sonde ionique soit par spectrométrie de masse plus classique (2) à l'ens Lyon, des datations radiométriques et l'analyse isotopique des éléments lourds par ICP-MS (3) à l'ipg à Paris, des mesures isotopiques précises par spectrométrie de masse sur des systèmes radio-isotopiques encore en vie ou éteints (4) à l'ias à Orsay des techniques spectroscopiques d'analyse de la composition chimique de particules interplanétaires. Le LEME trouvera donc naturellement sa place dans ce réseau. Le LEME occupe une place scientifique vacante, puisque son projet est d'étudier les compositions chimiques et isotopiques de matériaux dont la taille submicrométrique, est souvent incompatible avec les techniques de ces trois autres laboratoires. Nos collaborations avec ces laboratoires sont déjà actives et concrètes sur le plan des publications, des directions - 14 -
de thèse, du partage des échantillons. Peu à peu se mettra donc en place, au niveau national et avec la participation de cette unité au Muséum, un schéma intégré qui aura toute sa chance devant les grands projets déjà en construction au niveau international dans le cadre de l'exploration géologique du système solaire. Par ce choix expérimental, nous poursuivrons aussi plusieurs autres buts dans tous les domaines des géomatériaux. Nous voudrions rendre possible, et pour la première fois, l'analyse isotopique de géomatériaux terrestres avec une très haute résolution spatiale. Nous profiterons de notre place dans le «Service National de l INSU» et de notre rôle en tant qu UMS, pour motiver des chercheurs extérieurs au LEME afin qu ils définissent avec nous leur besoin analytique. Le but ultime est d obtenir des protocoles de mesures de "routine", afin de les appliquer à des thématiques de recherche qui ne sont pas poursuivies au LEME. En Géochimie, les grandes avancées analytiques ont souvent été stimulées par l'étude des échantillons extraterrestres. En effet, l'hétérogénéité de ce matériel est sans commune mesure avec celle des échantillons géologiques. En une vingtaine d'années, ces avancées se sont peu à peu exportées vers l'analyse des géo et des biomatériaux grâce à la définition de nouveaux protocoles de mesure accessibles aux non spécialistes. Les Sciences de la Terre, de la Vie, de l'environnement bénéficient aujourd'hui de ces techniques nouvelles. Il devra en être de même pour la NanoSims. Citons quelques exemples d applications potentielles de la NanoSims (1) En biologie où il sera possible de réaliser des cartographies isotopiques à l'échelle cellulaire afin de repérer les molécules de synthèse (2) En géologie où la composition isotopique des fossiles chimiques peut être réalisée à l'échelle d'une seule cellule (3) En science de l'environnement où il est possible d'étudier - par les compositions isotopiques naturelles - les processus d'altération et les enregistrements climatiques à l'échelle de quelques couches moléculaires. Plusieurs de ces projets à la NanoSims ont d ores et déjà débuté et ont donné lieu à des publications en 2006 et 2007 (cf. Annexes). Ces approches ont fait amplement leur preuve à l'échelle millimétrique et s'étendront tout naturellement à une l'échelle micrométrique. L'acquisition d'une NanoSims place le Muséum dans cette logique à long terme et les travaux scientifiques que cette technologie motivera, dépassent largement le cadre de ce contrat quadriennal. II.2 La NanoSims 50 L ambition de notre laboratoire au Muséum ne se limite pas à la seule analyse de la matière extraterrestre. La très petite taille des échantillons extraterrestres et leur extrême hétérogénéité - 15 -
nous oblige à travailler à une échelle submicrométrique. Nous devons donc étendre aussi rapidement que possible le savoir faire que nous acquerrons sur les échantillons extraterrestres, à l analyse d autres géomatériaux. De ce point de vue, le service national de l INSU ainsi que l a montré la sonde ionique à Nancy - est une spécificité nationale et un outil cohérent de diffusion technologique: les équipes de recherche qui en font la demande pourront venir apprendre à faire leurs propres mesures. Cette configuration administrative n existe pratiquement pas dans d autres pays et il faudra savoir en tirer le meilleur parti. Le budget d acquisition d une NanoSims a été important ( 1,9 M ). L'origine des financements: le Ministère, l'insu, la Région Ile-de-France. Les programmes européens et ANR viennent compléter nos besoins pour la Recherche (le détail des budgets est rapporté dans un autre chapitre). Par contre, l INSU devra faire face à la maintenance technique de l instrument ; soit 40 k /an. Il nous faudra compter 5 ans pour obtenir un fonctionnement en routine. Enfin, pour répondre à notre mission de vitrine scientifique et technologique, le cadre dans lequel est présentée la NanoSims permet au grand public de découvrir, dans une pièce vitrée, isolée des surfaces de laboratoires, les chercheurs au travail sur les sondes ioniques. Le public accède à cette pièce vitrée directement de l extérieur, sans aucune gène pour le personnel. Nous avons ainsi rallié la mission musée du Muséum avec la Recherche fondamentale. L installation des locaux a été menée avec deux objectifs : (1) obtenir un cadre pour la présentation de la NanoSims à la hauteur de l investissement important consentit par la Région Ile-de-France, le Ministère et le CNRS (2) pouvoir y installer avant le 16 janvier 2006 la NanoSims en état de fonctionnement. Cette date limite était dictée par le retour de la mission Stardust et par le parti que nous pourrions en tirer afin de valoriser la Recherche scientifique au Muséum sur un plan médiatique. Ces deux objectifs ont été atteints grâce au soutien (emplois, financier et logistique) sans faille des Départements du Muséum et de l INSU et de la Direction du Muséum. Sur un plan technique, les locaux sont parfaitement conditionnés ; la circulation de l eau en circuit fermé est thermostatée; le sol est insensible aux vibrations parisiennes ; l air est filtré et en légère surpression. Dans ces conditions, la stabilité du champ magnétique de la NanoSims est de l ordre de la partie par million, soit 5 fois mieux que son cahier des charges. Par contre nous n avons pas souhaité installer la NanoSims dans une pièce blanche car son utilisation journalière aurait été trop contraignante. Profitant de la restructuration qu impliquait la construction de ces locaux, nous avons innové : nous avons accueilli sur la plateforme une équipe d archéozoologie du Muséum, - 16 -
rattachée au Département SHS du CNRS - en les personnes de nos collègues Jean-Denis Vigne (DR-CNRS), Marie Balasse (CR) et Joel Ughetto (IR-CNRS). Marie Balasse est une spécialiste de la mesure des compositions isotopiques en oxygène et en carbone dans les carbonates. Certains y ont vu une perte irremplaçable de mètres carrés qui appartenaient au Département Histoire de la Terre du Muséum. D autres ont compris que la mise en commun d ingénieurs et de chercheurs travaillant tous sur la mesure de compositions isotopiques par spectrométrie de masse, serait un atout irremplaçable dans les périodes de difficultés techniques ou intellectuelles que les équipes traversent immanquablement. Nos ingénieurs travaillent d ores et déjà ensemble et nous souhaitons tous voir dans les années qui viennent, surgir des problèmes où la complémentarité des instruments et la pluridisciplinarité des approches feront merveille II.3 La collection de météorites. Les météorites sont des témoins exceptionnels de l'état isotopique, chimique et minéralogique des premiers planétoïdes du système solaire entre 4,56 et 4,49 milliards d'années. Elles représentent l'une des sources d'informations autour de laquelle des disciplines nouvelles telles que la Planétologie comparée et la cosmochimie, se sont développées. Le rôle du Muséum est central car sans une collection bien gérée et réactive, la cosmochimie nationale ferait face à des difficultés insurmontables notamment en ce qui concerne le don d échantillons pour la recherche. Comment se traduit l activité des chercheurs et des ingénieurs autour de cette collection et quelles sont les mesures à prendre pour maintenir notre politique d Aide à la Recherche à son plus haut niveau? Nous traitons dans ce qui suit de la première question ; la seconde sera abordée au Chapitre «Prospectives» II.3.1 Présentation de la collection de météorites La collection nationale de météorites comprend 3500 échantillons correspondant à 1400 chutes différentes. Il s agit d une collection dont la constitution a commencé il y a plus de 200 ans et qui comprend donc les masses principales ou des fractions importantes d un grand nombre de chutes observées dont la valeur scientifique est sans équivalent 1. Après celles de Londres (620 chutes observées) et de Washington (530), elle occupe le troisième rang au monde (500). 1 Nombre de collections récentes constituées à partir d objets de désert et/ou d échantillons de très petite taille peuvent apparaître comme plus importantes en terme de nombre de météorites (chutes+trouvailles) représentées. Leur intérêt scientifique est néanmoins sans commune mesure avec celui de la collection du MNHN qui comprend des échantillons représentatifs de plus de 500 des ~1200 chutes observées connues. - 17 -
Le petit nombre de météorites connues, leur intérêt scientifique et la valeur marchande acquise au cours des 20 dernières années par une fraction d entre elles confère à la collection de météorites un caractère exceptionnel lorsqu on la compare aux autres collections conservées au Muséum. Il s agit en effet à la fois d une collection patrimoniale utilisée pour la diffusion des connaissances et de l irremplaçable support des recherches de toute une communauté scientifique nationale et internationale, ce qui implique le prélèvement et la destruction de fragments d échantillons. Figure 1 : Le Muséum conserve la masse principale de la météorite d Orgueil dont une pierre entière de 22g est représentée ici. Cette météorite est la plus grosse des chondrites carbonées de type CI dont il n existe que 5 représentants. Ces objets sont les seuls à avoir préservé la composition chimique du système solaire au moment de sa formation et pourraient provenir du noyau d une ancienne comète formée très loin du soleil. Les décisions concernant l altération ou le prêt d échantillons d une importante valeur patrimoniale sont toujours prises de manière collégiale. Le chargé de conservation (B. Zanda pour 2003-2006 ; B. Zanda & M. Gounelle à partir de 2007) est assisté d un comité comportant l ensemble des membres du LEME ainsi que les membres de l USM 201 concernés par ces objets (V. Sautter, J.-C. Parodi). Ce comité se réunit lorsque le nombre de demandes est suffisant (ou lorsque l une d entre elles est urgente) et statue sur les activités de la collection qui participent de chacune des grandes missions du Muséum. - 18 -
Nature des prêts (527) : Pierres ou fragments Lames minces Sections polies Utilisation des prêts (527) : Pédagogique (TP) Exposition Recherche Autres: Figure 2 : La collection de météorites du Muséum effectue chaque année environ 130 prêts d échantillons et de préparations destinés à la recherche, à des expositions et comme support pour des enseignements. Figure 2 supérieure. On distingue du plus au moins fréquent : (i) les pierres ou fragments (ii) les lames minces (iii) les sections polies. Figure 2 inférieure. On distingue du plus au moins fréquent, les dons (i) pour la Recherche (ii) pour des activités pédagogiques (iii) pour des expostions. II.3.2 Un outil de recherche national et international ALLOCATION ET PREPARATION D ECHANTILLONS POUR LA RECHERCHE En raison de la rareté des météorites, la communauté nationale et internationale qui les étudie ne peut travailler que grâce au soutien des principaux musées conservant des collections. La tradition veut que, pour les études «destructives», un échantillon soit demandé de préférence au musée qui possède la masse principale d une météorite donnée, (sauf si la masse demandée est vraiment minime). - 19 -
Répartition géographique des dons pour recherche (153) : France Europe Etats-Unis Figure 3 : Destination géographique des 153 échantillons alloués pour des analyses destructives. Des échantillons de la collection du MNHN ont été alloués à des chercheurs travaillant en Europe et aux Etats-Unis, mais ils ont avant tout servi à soutenir une communauté nationale très active et comprenant de nombreux étudiants. Dons pour recherche (153) : CC & CE: CO prim CO Ach. Prim DIF hors SNC SNC Prêts de préparations pour recherche (219) : CC & CE: CO prim CO Ach. Prim DIF hors SNC SNC Figure 4 : Répartition par groupes des météorites allouées pour des analyses destructives et des préparations prêtées pour la recherche. Les différences s expliquent probablement avant tout par la rareté et la préciosité des objets : nombre d analyses destructives demandant beaucoup de matériel (séparations minérales notamment) ne peuvent être envisagées sur les météorites SNC (d origine martienne probable) sur lesquelles les chercheurs travaillent le plus souvent à partir de sections polies. Les chondrites ordinaires, en revanche, font souvent l objet d analyses destructives. Signification des acronymes : (i) CC et CE : Chondrites Carbonées (CI, CV, CM) et Chondrites à Enstatite (analogues terrestres?); (ii) CO prim : Chondrites primitives de type CO; (iii) CO: Chondrites de type CO; (iv) Ach. Prim. : Achondrites primitives (laves); (v) : DIF hors SNC: météorites différenciés(magmatiques) sauf les météorites martiennes; (vi) météorites d origine Martienne. - 20 -
Nous recevons ainsi des demandes émanant de France, d Europe, des Etats-Unis et occasionnellement du Japon. Sur les 4 dernières années, nous avons alloué 153 échantillons pour des études destructives et prêté 128 échantillons ou préparations. Ce travail, qui comprend les interactions avec les demandeurs, l étude scientifique des dossiers et aussi les prélèvements, a été effectué par B. Zanda. Par ailleurs, M. Denise (IE CNRS) et B. Zanda ont travaillé à mettre au point des méthodes de «séparation» sur les échantillons permettant de ne donner aux demandeurs que les phases ou les composants par lesquels ils sont réellement intéressés et de conserver ainsi le matériel résiduel pour les mettre à la disposition d autres équipes. C est ainsi que des fragments de chondres de la CR2 Renazzo extraits d un échantillon demandé pour l étude de la matrice ont pu être fournis à deux autres groupes. PRET DE PREPARATIONS ET ACCUEIL DE CHERCHEURS En moyenne, nous prêtons chaque année 70 échantillons ou préparations pour la recherche (Figures 2 et 4) et nous recevons quelques visiteurs, pour des études ponctuelles mais parfois aussi pour des campagnes de mesures (notamment mesures magnétiques effectuées par les membres de l équipe du CEREGE). Figure 5 : Tombée en 1815, la météorite de Chassigny est l une des plus précieuses conservée au Muséum. D origine martienne probable, elle est l unique chute observée de son groupe qui ne comprend qu un autre objet, trouvé récemment dans un désert. Depuis janvier 2003, les météorites SNC ont fait l objet de 17 prêts pour recherche et de 5 allocations pour des analyses destructives. II.3.3 Accroissement de la collection et nouvelles préparations NOUVELLES METEORITES En 2003-2006, des échantillons de 252 nouvelles météorites ont été intégrés à la collection. La grande majorité d entre eux ont été obtenus grâce à l activité d expertise (voir section V) exercée par M. Denise (208) ou par des membres de la communauté nationale qui déposent - 21 -
leurs échantillons types au MNHN (B. Devouard, UBP-Clermont : 24 ; E. Dransart, EMTT : 11). 5 échantillons ont été donnés par les découvreurs ou des scientifiques impliqués dans la découverte et 6 ont été acquis par le MNHN sur le budget des collections (dont 2 suite à l activité de classification exercée par M. Denise). La liste des 43 météorites nouvellement acquises est donnée en annexe. Figure 6 : Deux météorites acquises par le Muséum national d Histoire naturelle. (1) Alby sur Chéran, masse principale (240 g) d une eucrite tombée en France en 2002 ; (2) Fragment (38 g) de la météorite de Villalbeto de la Peña, chondrite ordinaire tombée en Espagne en 2004. Ce fragment contient une inclusion extraordinaire de composition feldspathique et dont l étude est actuellement en cours. Figure 7 : Deux échantillons types déposés au Muséum par B. Devouard (acquis par classification). Il s agit de deux chondrites carbonées : (1) Acfer 328 (18 g), chondrite CV3 trouvée en 2001. Ce fragment contient une magnifique inclusion réfractaire (inclusion blanche en haut à gauche) ; (2) Tanezrouft 057 (28 g), chondrite CK4 trouvée en 2002. Outre de nombreuses inclusions réfractaires de taille millimétrique, ce fragment contient deux grosses inclusions noires chondritique dont l origine reste mal comprise. - 22 -
REALISATION DE NOUVELLES PREPARATIONS En quatre ans, notre «bibliothèque» de préparations mises à la disposition de la communauté scientifique et utilisables pour les enseignements (sections polies et lames minces) a été enrichie d environ une soixantaine de nouvelles préparations confectionnées (par M. Denise et B. Zanda) avec une araldite particulière (ne dégazant pas sous un vide poussé) et pouvant ainsi être analysées avec la Nanosims. A ces préparations il faut rajouter de nouvelles lames minces (une dizaine + une dizaine en cours de réalisation) et l ensemble des sections polies réalisées pour les classifications (cf. Annexes), soit plus de deux-cent sections polies supplémentaires. La liste des nouvelles préparations est donnée en annexe. II.3.4 Enseignement autour de la collection de météorites ENSEIGNEMENT Chaque année, des membres du LEME (C. Caillet, M. Denise, M. Gounelle, C. Perron, B. Zanda) organisent ou participent à des enseignements à tous les niveaux pour lesquels ils font largement appel aux ressources de la collection en montrant ou en faisant manipuler à leurs étudiants des échantillons et des préparations d échantillons : scolaires (CM2, stages 3 ème et stages 2 nde ), licence, master 1 & 2 (Meudon, Paris, Grenoble), CAPES, Agrégation, journées de planétologie du système solaire... Certains échantillons ou préparations sont parfois aussi empruntés par nos collègues de province à des fins didactiques. Prêts de préparations pour enseignement (10 1) : CC & CE: CO prim CO Ach. Prim DIF hors SNC SNC Figure 8 : Répartition par groupes des 101 préparations de météorites prêtées à des fins d enseignement. Les météorites les moins courantes (achondrites primitives) ou les plus précieuses (SNC) ne sont généralement pas prêtées dans ce cadre. Signification des acronymes : (i) CC et CE : Chondrites Carbonées (CI, CV, CM) et Chondrites à Enstatite (analogues terrestres?); (ii) CO prim : Chondrites primitives de type CO; (iii) CO: Chondrites de type CO; (iv) Ach. Prim. : Achondrites primitives (laves); (v) : DIF hors SNC: météorites différenciés(magmatiques) sauf les météorites martiennes; (vi) météorites d origine Martienne. - 23 -
ACCUEIL D ETUDIANTS Nous accueillons régulièrement des étudiants démarrant leur thèse sur les météorites pour des «mini-stages» (parfois répétés), pouvant aller de quelques heures à quelques jours. Ces stages ont pour but de faire découvrir à ces étudiants la pétrographie des météorites et, le cas échéant, de les aider à sélectionner et parfois à préparer leurs échantillons (cf. liste Annexes). II.3.5 Diffusion des connaissances PRETS POUR EXPOSITIONS Certains de nos échantillons sont en prêt permanent dans leurs lieux de chute (L Aigle en Normandie) ou dans des musées tel que celui de Vulcania (Tamentit). Par ailleurs nous prêtons chaque année des échantillons pour des expositions temporaires à Paris ou en Province. De 2003 au début 2007, nous avons ainsi prêté 102 échantillons (cf figure 1). MANIFESTATIONS DESTINEES AU PUBLIC : Lors des «Fête de la Science» 2004 et 2006, des échantillons de la collection de météorites ont servi de support à des présentations, cours et ateliers destinés au grand public. Des échantillons ont également été présentés lors des «Journées du Patrimoine» 2004 et lors du «Salon de la Recherche» 2006. PRETS DE DOCUMENTS PHOTOGRAPHIQUES : La collection de documents photographiques concernant les météorites est développée et gérée par C. Fiéni. Depuis le 1 er janvier 2003, elle a prêté 182 diapositives ou photos numérisées faites par ses soins pour l édition d ouvrages, de bases de données ou le montage d exposition ou film. La liste des documents prêtés est donnée en annexe. SITE WEB Le site web de la collection a été étoffé avec l aide de M. Serrano (AI informaticien travaillant deux jours/semaine pour la valorisation des collections sur le site du Département Histoire de la Terre). Des fiches techniques sur certaines météorites ou préparations clé, réalisées par M. Denise, ont été mises en ligne, ainsi que les photos de météorites françaises réalisées par C. Fiéni. Les fiches pétrographiques de certaines météorites ont été placées sur le site du Département Histoire de la Terre du Muséum. Le but à terme est d illustrer entièrement le - 24 -
tableau de classification des météorites et de montrer ces dernières par les moyens les plus appropriés pour chacune d elles : Les textures seront observées le plus souvent par microscopie optique en lumière transmise analysée et polarisée puis en lumière réfléchie, l addition de ces deux types de vision permettant de voir la gamme complète des minéraux constitutifs. Des images réalisées au microscope électronique à balayage permettront de mieux comprendre la grande hétérogénéité chimique de certains objets dits «primitifs» ou tout simplement bréchiques et de mettre en évidence les textures particulières du métal des fers météoritiques par exemple. A ce jour, 18 fiches pétrographiques ont été réalisées et sont disponibles en ligne à l adresse http://www.mnhn.fr/mnhn/mineralogie/histoire/index/doc/classification/meteorites_microscope.htm II.3.6. Expertise CLASSIFICATION DE NOUVELLES METEORITES En raison de la rareté des météorites et de leur intérêt scientifique, le Comité de Nomenclature de la Meteoritical Society (NomCom) tente de répertorier toute nouvelle découverte. La déclaration au NomCom (garant pour les chercheurs de météorites de l authenticité et de la valeur de l objet) doit être accompagnée d une classification et implique le dépôt dans une institution scientifique d un échantillon type d au minimum 20 g (ou 20% de l objet si sa masse est < 100g). Ce dépôt, justifié par le besoin de pouvoir revenir ultérieurement sur la classification d un objet, est un moyen de faire entrer dans les collections et de mettre à la disposition des scientifiques au moins un échantillon de chaque nouvelle trouvaille. Entre 2003 et 2006, par son travail de classification, M. Denise a fait entrer en collection les échantillons types de 208 nouvelles météorites. Parmi ces météorites, 90 rentrent dans des groupes revêtant un intérêt scientifique élevé (cf. tableaux dans les Annexes). Parmi les neuf chondrites carbonées on note la classification de 5 nouvelles CK de tous types pétrologiques (météorites ayant subi une forte altération aqueuse sur leur corps parent et apparentées aux CV). Parmi les chondrites ordinaires nous avons très largement enrichi notre collection en types 3 qui sont les échantillons les moins métamorphisés, et le nombre de rumurutites en collection est passé de 3 à 7. - 25 -
Figure 9 : Tanezrouft 082. Echantillon de 28 g d une chondrite CM2 très fraîche trouvée en 2003. Cet échantillon type a été obtenu grâce à une classification effectuée par M. Denise. Dans le domaine des achondrites la collection du Muséum est passée de 9 à 17 ureilites (échantillons riches en carbone dont l histoire est encore très mal comprise), deux sont en cours de classification et contiennent une quantité anormalement élevée de diamants. (collaboration avec Albert Jambon Université P. et M. Curie Paris) ; les analyses isotopiques de l oxygène confirment que ces deux objets sont des ureilites, cependant l une et l autre contiennent des chondres qui ne sont pas attendus dans des ureilites. Un travail de recherche plus poussé est en cours actuellement qui permettra de faire un pas de plus dans la compréhension de ces objets. La collection est passée de 30 à 44 eucrites de textures très variables (dont Alby sur Chéran, 1 chute française observée en 2002 dont le Muséum a ensuite pu acquérir la masse principale). Une grande majorité des 118 chondrites ordinaires restantes (de types 4, 5 et 6) ont été classifiées avec la collaboration de Pierre Rochette (CEREGE-Aix en Provence) dans le cadre de la mise au point de sa méthode de détermination des échantillons sur la base de leurs propriétés magnétiques. ACCUEIL DU PUBLIC Nous recevons en moyenne, chaque année, environ 300 demandes d expertise émanant du grand public pour des objets qui ne sont généralement pas des météorites. Ces demandes arrivent par téléphone, par courrier électronique et par lettre ainsi que lors de visites, le plus souvent sans rendez-vous. L essentiel de ces demandes est traité par J.-C. Lorin (attaché honoraire au Muséum), ainsi que par C. Caillet. (voir annexe). - 26 -
III. Bilan III. 1 Résultats marquants Nous distinguons 6 résultats marquants obtenus au cours de ces cinq dernières années. Le détail des autres avancées scientifiques les plus significatives sont présenté dans les «Fiches personnelles» rapportées dans en Annexe. (1) Les mesures NanoSims sur les échantillons de la mission Stardust ont donné lieu à quatre publications dans le numéro spécial de Science consacrée à la première mission de retour d échantillons depuis Apollo. La NanoSims a permis de réaliser une cartographie des compositions isotopiques en hydrogène, carbone et en azote de zones de 20 µm 2 avec une résolution spatiale de l ordre de 0.1 µm. Les résultats les plus intéressants ont été obtenus sur des grains submicrométriques prélevés dans la zone d entrée des grains dans l aérogel. Dans ces zones, les composés volatils se sont vaporisés instantanément créant une cavité d explosion. Ces grains présentent essentiellement des compositions isotopiques «solaires» (c.a.d. identiques au premier ordre à celles des météorites carbonées) avec quelques rares constituants volatils dont les compositions rappellent le milieu interstellaire (Figure 10). Figure 10 : Distribution de C et N dans la matière organique d un échantillon Stardust étudié au LEME. Cette figure permet d apprécier la variabilité du rapport élémentaire C/N et de la composition isotopique du carbone et de l azote dans la matière organique cométaire. Données LEME publiées dans Sandford et al. Science. - 27 -
2) La mise en place d une nouvelle thématique de recherche (biominéralisation) sur la base des mesures réalisées à la NanoSims (Figure 11 ; cf. détails fiche Meibom). Cette thématique vise à mettre en évidence les mécanismes de formation de squelettes carbonates par des organismes marin. Par exemple, l analyse avec la nanosims des abondances élémentaires et des rapports isotopiques permet d identifier les mécanismes de croissance des coraux à l échelle submicrométrique et de démontrer que la croissance est contrôlée par des phénomènes biologiques. t Figure 11. Biomineralized structures impact the global environment, but are controlled at the cellular level. This is illustrated in this sequence of images that span more than 10 orders of magnitude in length scale, from the satellite image of the Great Barrier Reef (upper left) to the skeletal ultra-structure of the Porites coral (center low). The morphology of the coral skeleton is under strong biological control. Structural elements, like centers of calcification and fibrous aragonite layers, are organized in taxonomically specific patterns. Importantly, the trace element composition is under equally strong biological control, as illustrated by the NanoSIMS image in the lower left, which displays a dramatic Mg concentration variation corresponding precisely to the zoning pattern of the skeletal ultra-structure (1). Thermodynamic equilibrium with seawater is irrelevant to such large trace element geochemical variations, which are biologically driven. Coral images; courtesy of Jean-Pierre Cuif. (3) Plusieurs avancées en cosmochimie isotopique et organique confortent l hypothèse d une irradiation massive du disque protosolaire, lors de la phase T-Tauri du Soleil. (cf. détails fiches Gounelle et fiche Robert). - 28 -