Petrographic and geochemical characterization of the micrometeorite collection from the Sør Rondane Mountains: Nature and origin of the extraterrestrial flux to Earth

The Antarctic continent has traditionally been a successful searching ground for meteoritic material due to its cold and dry climate. Meteorites, and their microscopic analogues micrometeorites, were originally sampled from Antarctic ice and snow. Recently, however, a large collection of micrometeorites was discovered in sedimentary traps and moraine deposits from the Transantarctic Mountains, where extraterrestrial dust particles have accumulated for a prolonged time span (ca. 3–4 Ma). Micrometeorites (or ‘cosmic dust’) show unique chemical and isotopic signatures, which originate from a large and diverse amount of asteroidal and cometary bodies within the Solar System. In addition, they document major events such as the origin and evolution of the Solar System, and provide insight into the source region of their precursor bodies. These sedimentary deposits consequently represent a valuable archive that documents the flux of extraterrestrial material to Earth and ancient meteoritic events over Antarctica.Yet, much of this information is lost during the atmospheric entry stage, where cosmic dust is subjected to frictional heating and is partially or completely molten down. This may significantly alter the original physicochemical and isotopic properties of extraterrestrial dust particles. A thorough understanding of these physicochemical processes is thus required to reconstruct the atmospheric entry of cosmic dust (but also larger objects) and interpret their chemical and isotopic data. During the course of this PhD research, multiple sedimentary deposits from the Sør Rondane Mountains (Dronning Maud Land, East Antarctica) were petrographically examined and chemically-isotopically characterized using state-of-the-art instruments. Furthermore, various experiments and numerical models were constructed to replicate the atmospheric entry stage of both small- and large-sized meteoritic material. This study has demonstrated that the Sør Rondane Mountains sedimentary deposits contain a rich and pristine variety of extraterrestrial- and impact-related materials, including micrometeorites, microtektites and meteoritic condensation spherules. Statistical analysis suggests that the Sør Rondane Mountains micrometeorite collection is representative of the contemporary flux of cosmic dust to Earth. Extraterrestrial material is subjected to a complex interplay of redox and volatilization processes during atmospheric entry heating, which allow to explain the chemical trends observed in cosmic dust. Isotopic studies also suggest that at least a minor fraction of the micrometeorite population has sampled new, unknown types of asteroidal and/or cometary bodies. Microtektites and meteoritic condensation spherules have been linked to major meteoritic events on Earth ca. 790 ka and ca. 430 ka ago, respectively, and underline the importance of the Earth’s atmosphere during their formation. The results of this PhD research emphasize the scientific value of Antarctic sedimentary deposits and provide more insight into the processes taking place during the atmospheric entry of extraterrestrial material.Le continent antarctique a traditionnellement été un terrain de recherche fructueux pour le matériel extraterrestre en raison de son climat froid et sec. Les météorites et leurs analogues microscopiques, les micrométéorites, ont été à l'origine échantillonnés dans la glace et la neige de l'Antarctique. Plus récemment, une grande collection de micrométéorites a été découverte dans des pièges sédimentaires et des dépôts de moraine des montagnes transantarctiques, où des particules de poussière extraterrestres se sont accumulées pendant une période prolongée (environ 3-4 Ma). Les micrométéorites (ou « poussière cosmique ») présentent des signatures chimiques et isotopiques uniques, qui proviennent d'une quantité importante et diversifiée de corps astéroïdes et cométaires au sein du système solaire. En outre, elles documentent des événements majeurs tels que l'origine et l'évolution du système solaire et donnent un aperçu de la région source de leurs corps parents. Ces dépôts sédimentaires représentent par conséquent une archive précieuse qui documente le flux de matière extraterrestre vers la Terre et les événements météoritiques anciens au-dessus de l'Antarctique.Pourtant, une grande partie de cette information est perdue au cours de l'étape d'entrée dans l'atmosphère, où la poussière cosmique est soumise à un chauffage par friction et est partiellement ou complètement fondue. Cela peut altérer considérablement les propriétés physico-chimiques et isotopiques d'origine des particules de poussière extraterrestres. Une compréhension approfondie de ces processus physico-chimiques est donc nécessaire pour reconstituer l'entrée atmosphérique des poussières cosmiques (mais aussi des objets plus gros) et interpréter leurs données chimiques et isotopiques. Au cours de cette recherche de doctorat, plusieurs dépôts sédimentaires des montagnes Sør Rondane (Dronning Maud Land, Antarctique de l'Est) ont été examinés pétrographiquement et caractérisés chimiquement et isotopiquement. En outre, diverses expériences et modèles numériques ont été construits pour reproduire l'étape d'entrée dans l'atmosphère de matériaux météoritiques de petite et de grande taille.Cette étude a démontré que les dépôts sédimentaires des montagnes Sør Rondane contiennent une variété riche et peu altérée de matériaux extraterrestres et de cratères d’impacts, notamment des micrométéorites, des microtektites et des sphérules de condensation météoritique. L'analyse statistique suggère que la collection de micrométéorites des montagnes Sør Rondane est représentative du flux contemporain de poussière cosmique vers la Terre. La matière extraterrestre est soumise à une interaction complexe de processus d'oxydo-réduction et de volatilisation lors de l'entrée dans l'atmosphère, ce qui permet d'expliquer les tendances chimiques observées dans la poussière cosmique. Des études isotopiques suggèrent également qu'au moins une fraction mineure de la population de micrométéorites a échantillonné de nouveaux types inconnus d’astéroïdes et/ou de comètes. Les microtektites et les sphérules de condensation météoritiques ont été liées à des événements météoritiques majeurs sur Terre il y a ~790 ka et ~430 ka, respectivement, et soulignent l'importance de l'atmosphère terrestre lors de leur formation. Les résultats de cette recherche doctorale soulignent la valeur scientifique des dépôts sédimentaires de l'Antarctique et donnent un meilleur aperçu des processus qui se déroulent lors de l'entrée dans l'atmosphère de matière extraterrestreDoctorat en Sciences