Thermodynamique de la fusion partielle du manteau terrestre en présence de CO₂-H₂O

Thermodynamics of melting in the Earth’s mantle in presence of CO₂-H₂O

• Auteur / Autrice : Malcolm Massuyeau
• Direction : Bruno Scaillet, Fabrice Gaillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 16/12/2015
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Pichavant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Scaillet, Fabrice Gaillard, Michel Pichavant, Peter Ulmer, Rodolphe Vuilleumier, Jean-Louis Bodinier, Yann Morizet, Tahar Hammouda
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Peter Ulmer, Rodolphe Vuilleumier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magmatisme

Silice

Thermodynamique

Fusion (chimie physique)

Terre -- Manteau

Mots clés libres

Thermodynamique

Liquide magmatique

Activité

SiO₂

Immiscibilité

Incertitudes

Thermodynamics

Melt

Activity

SiO₂

Immiscibility

Uncertainties

Résumé

Le lien entre les éléments volatils CO₂-H₂O et la fusion mantellique a depuis maintenant longtemps été illuminé par l’expérimentation. Une large base de données expérimentales existe et souligne l’effet primordial de ces éléments sur l’abaissement des températures de fusion de la péridotite ainsi que sur la composition des liquides magmatiques produits comme une fonction des conditions P – T – fo₂ – composition du système. Néanmoins, la diversité et la complexité de cette base de données peuvent compliquer sa compréhension globale. Dans cette étude, une analyse détaillée de la composition des liquides magmatiques riches en CO₂ et H₂O est réalisée, soulignant notamment une transition non-linéaire et plus ou moins abrupte entre des liquides carbonatitiques et des liquides silicatés. Un modèle thermodynamique est élaboré afin de calculer l’activité de SiO₂ dans les liquides magmatiques riches en CO₂-H₂O (aSiO₂(l)) et coexistant avec un assemblage péridotitique, depuis des termes carbonatitiques jusqu’à des termes basaltiques. L’application de ce modèle dans des conditions de ride océanique prédit la stabilisation des liquides carbonatitiques au démarrage de la fusion redox (liée à la transition graphite/diamant- carbonates) jusqu’à environ 100 km de profondeur, avant d’évoluer plus ou moins abruptement vers des liquides silicatés riche en CO₂. Au niveau des cratons, les kimberlites de Groupe I sont stabilisés en base de lithosphère (~250 km de profondeur), et peuvent être formés à partir d’un plume mantellique. L’épaisseur de cette lithosphère empêche la remontée du plume et la formation des OIB. Afin de décrire plus pleinement les propriétés thermodynamiques du liquide magmatique, un modèle plus complexe (système CMAS-CO₂) est en construction, dont la méthodologie est modifiée par rapport au précédent modèle calculant aSiO₂(l) ; un effort tout particulier est ici mené afin de mieux considérer les incertitudes expérimentales et thermodynamiques.

The link between volatiles (CO₂-H₂O) and mantle melting has so far been illuminated by experiments. A large experimental database exists and emphasizes the importance of volatiles on lowering solidus temperatures of peridotite and modifying the melt composition as a function of P – T – fo₂ – bulk composition. Nevertheless, the diversity and the complexity of this experimental database may complicate its global understanding. In this study, an analysis of CO₂-H₂O-rich melt composition is done, emphasizing the non-linear and more or less abrupt character of the transition between carbonate-rich melts and silicate-rich melts. A thermodynamic model is accomplished to calculate the silica activity in CO₂-H₂O-rich melts coexisting with peridotite assemblage and covering carbonatitic to basaltic terms. Along an oceanic ridge adiabat, the model predicts that carbonatitic melts can be stabilized at the onset of “redox melting” (transition between graphite/diamond-carbonates) to about 100 km depth, before abruptly evolving towards carbonated silicate melts. In cratons, Group I kimberlites are stabilized at the base of the lithosphere (about 250 km depth), and can originate from a mantle plume. The thickness of the lithosphere prevents the plume ascent and the production of OIB. In the aim of describing the melt thermodynamic properties more precisely, a more complex model (system CMAS-CO₂) is under construction, with a modified methodology relative to the previous model of silica activity; a specific effort is here conducted in order to better consider experimental and thermodynamic uncertainties.