Propriétés électriques des magmas

Electrical properties of magmas

• Auteur / Autrice : Anne Pommier
• Direction : Michel Pichavant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'univers
• Date : Soutenance le 23/11/2009
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2000-2009)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Tarits
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Pichavant, Pascal Tarits, Roberto Scandone, Mohammed Malki, Reid F. Cooper, Fabrice Gaillard, Mathieu Roskosz, Benoit Villemant
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Roberto Scandone, Benoît Villemant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydoréduction

Conduction électrique

Vésuve (Italie ; volcan)

Propriétés électriques

Roches vitreuses

Mots clés libres

Melts silicatés

Modèle direct

Silicate melts

Forward modelling

Résumé

Les expériences ont été menées pour déterminer les propriétés électriques des verres et liquides silicatés du Vésuve et du Kilauea par spectroscopie d’impédance. Une étude méthodologique des mesures à deux et quatre électrodes a amélioré la qualité des mesures électriques. Les mesures ont été faites entre 400 et 1400°C, 0.1 et 400MPa et pour des fugacités en oxygène de 10-8 à 0.2 bar. La conductivité électrique croît avec la température, les teneurs en eau et sodium et lorsque pression et fO2 diminuent. Des lois d’Arrhénius ont été déterminées dans les verres et liquides pour étudier les propriétés de transport. Des énergies d’activation de 60 à 150kJ/mol et un volume d’activation de 20cm3/mol ont été calculés. Une méthode semiempirique a été déduite pour estimer la conductivité d’une large gamme de melts. Une application géophysique de nos résultats a consisté en un modèle direct de la conductivité du Vésuve. Les fonctions de transfert s’expliquent par la seule présence d’une saumure. Sa forte conductivité rend la détection d’un corps magmatique profond difficile. Cependant, nos simulations ont démontré que les données géophysiques actuelles sont en accord avec un réservoir de magma cristallisé ou du magma plus chaud interconnecté dans l’encaissant carbonaté. Une application géochimique a consisté au suivi en temps réel des cinétiques redox dans des basaltes, en utilisant la dépendance au temps de la conductivité suite à un changement de fO2. L’évolution de la conductivité au cours du temps, liée à la mobilité du sodium, est identique à celle du ratio fer ferrique/fer ferreux du melt. La réduction sous CO-CO2 et l’oxydation à l’air sont limitées par la diffusion, mais pas l’oxydation sous CO2, probablement à cause de réactions à l’interface gaz/melt. Les valeurs calculées élevées de diffusivité et d’énergie d’activation ont été expliquées par des mécanismes redox impliquant une coopération entre flux d’alcalins, de cations divalents et d’oxygène.

Experiments were conducted to determine the electrical properties of silicate glasses and liquids from Mt Vesuvius and Kilauea volcanoes using impedance spectroscopy. A methodological study of the two and four electrode measurements improved the quality of the electrical measurements. Measurements were performed between 400 and 1400°C, from 0.1 to 400MPa and for oxygen fugacities ranging from 10-8 to 0.2 bar. The electrical conductivity increases with increasing temperature, water content, sodium content and with decreasing pressure and fO2. Arrhenius laws were determined for glasses and liquids to investigate the transport properties. Activation energies from 60 to 150kJ/mol and an activation volume of 20cm3/mol were calculated. A semi-empirical method was deduced to estimate the conductivity of a wide range of melts. A geophysical application of our results consisted in the forward modelling of the conductivity of Mt Vesuvius. Transfer functions are explained by the only presence of a brine. Its high conductivity makes difficult the detection of a deeper magmatic body. Still, our simulations demonstrated that present geophysical data are compatible with a crystallized magma reservoir or a hotter magma interconnected in the surrounding carbonates. A geochemical application consisted in the monitoring in real-time of redox kinetics in basaltic liquids, using the time-dependence of electrical conductivity following fO2 step changes. The evolution of the conductivity with time, related to sodium mobility, is identical to that of the ferric/ferrous ratio of the melt. Reduction under CO-CO2 and oxidation in air are diffusion-limited, while oxidations under CO2 are not, probably due to gas/melt interface reactions. High calculated diffusivities and activation energies have been explained by redox mechanisms involving cooperative alkali, divalent cation and oxygen fluxes.