Effet de la fugacité d'oxygène sur le stockage des fluides C et H dans le manteau terrestre

Effect of the oxygen fugacity on the C and H fluids storage in the Earth's mantle

• Auteur / Autrice : Loïs Martinek
• Direction : Nathalie Bolfan-Casanova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Tahar Hammouda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Ali Bouhifd, José Alberto Padrón-Navarta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Demouchy, Anthony C. Withers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Terre -- Manteau supérieur

Mots clés libres

Wadsleyite

Olivine

Minéraux nominalement anhydres

ƑO2

Zone de transition

Spectroscopie Raman

Quantification de l'eau

Wadsleyite

Olivine

Nominally anhydrous minerals

ƑO2

Transition zone

Raman spectroscopy

Water quantification

Résumé

L'étude de l'eau contenue dans les minéraux nominalement anhydres et des paramètres influençant son incorporation est un sujet de recherche actif à cause de ses effets sur les propriétés physiques et chimiques du manteau. L'objectif de cette étude est de contraindre expérimentalement la solubilité de l'eau de l'olivine et de la wadsleyite à 410 km de profondeur (soit 14 GPa), en conditions saturées en eau, de 1200 °C à 1400 °C, à trois tampons de ƒO2, (Fe­FeO, Ni­NiO et Re­ReO2), et deux types de fluides différents (H2O et H2O+C2H2O4). Les expériences ont été réalisées en presse multi-enclumes en double capsules scellées pour préserver les fluides. Les échantillons ont ensuite été polis et analysés par MEB et microsonde électronique pour étudier leur composition. L'eau contenue dans les minéraux a été quantifiée par spectroscopie Raman, qui permet une résolution spatiale de l'ordre du micromètre, grâce à une méthode initiée pour l'olivine par Bolfan-Casanova et al. (2014) et continuée ici, puis étendue au cours de la présente étude à la wadsleyite (Martinek & Bolfan-Casanova, 2019). Les erreurs associées à ces mesures ont été identifiées et quantifiées grâce à l'étude de monocristaux d'olivine et de wadsleyite, où les spectres Raman ont été acquis en fonction de l'orientation du minéral. L'objectif a été de permettre la distinction entre les différentes sources d'erreur de mesure et l'anisotropie naturelle de ces minéraux, et d'observer l'effet de deux méthodes de mesures différentes sur les erreurs. Les facteurs de conversion liant les rapports OH/Si mesurés par spectroscopie à la concentration en eau sont de 93108±24118 pour l'olivine, 250868±53827 pour la wadsleyite de composition Fo89, et de 57862±12487 pour une wadsleyite à Fo100 (facteurs en ppm en masse d'eau).Un important effet de la ƒO2 sur les températures de fusion a été observé dans les expériences sans carbone (baisse de 30 à 40 °C par unité log de ƒO2). Les teneurs en eau mesurées augmentent pour olivine et wadsleyite lorsque la température, ou la ƒO2, augmente, mais baissent drastiquement en présence de carbone ou de fusion, celle-ci étant favorisée par l'augmentation de température et de ƒO2. Les teneurs en eau mesurées s'échelonnent de 4600 à 18800 ppm pour la wadsleyite et de 350 à 2400 ppm pour l'olivine en absence de carbone, et de 1800 à 10900 ppm pour la wadsleyite et de 135 à 1030 ppm pour l'olivine en présence de carbone. Cette étude montre donc qu'en conditions réductrices ainsi que même en présence de carbone la teneur en eau aux conditions du bas du manteau supérieur reste substantielle.

The study of the water content of nominally anhydrous minerals and the parameters influencing solubilities is an active research field because of its effects on the physical and chemical properties of the mantle. This study aims to experimentally constrain the water storage capacities of olivine and wadsleyite at a depth around 410 km (14 GPa) under water-saturated conditions, from 1200 °C to 1400 °C, with three different ƒO2 buffers (Fe­FeO, Ni­NiO et Re­ReO2) and two different fluid compositions (H2O et H2O+C2H2O4). Experiments have been conducted in the multi-anvil press, with sealed double capsules to preserve fluids. Samples were polished and analyzed by SEM and electron microprobe to study their composition. The water contents of minerals were measured by Raman spectroscopy with a method initiated for olivine by Bolfan-Casanova et al. (2014) continued here and extended to wadsleyite (Martinek & Bolfan-Casanova, 2019). Errors related to this method have been quantified and identified with the study of two olivine and wadsleyite single-crystals with Raman spectra acquired as a function of the mineral's orientation. The goal was distinguishing the various measurement error sources from the natural anisotropy of the minerals, and observe the effect of two different measurement method on the errors. The conversion factors connecting the OH/Si measured by Raman spectroscopy to the water content are 93108±24118 for olivine, 250868±53827 for Fo89 wadsleyite, and 57862±12487 for Fo100 wadsleyite (factors in ppm weight of water).A significant effect of ƒO2 on the melting temperature has been observed in the carbon-free experiments (decreasing of 30 to 40 °C by ƒO2 log unit). The measured water contents for both olivine and wadsleyite increase with increasing temperature or ƒO2, but drop in the presence of carbon or melting, which benefits from higher temperature and ƒO2. The observed water contents vary from 4600 to 18800 ppm for wadsleyite and 350 to 2400 ppm for olivine in carbon-free experiments, and from 1800 to 10900 ppm for wadsleyite and 135 to 1030 ppm for olivine in carbon-bearing experiments. This study points out that even under reducing conditions and in the presence of carbon, the water content at the bottom of the upper mantles remains significant.