Incorporation et diffusion de l’hélium et de l’argon dans l’olivine polycristalline

Incorporation and diffusion of helium and argon in polycrystalline olivine

• Auteur / Autrice : Rémi Delon
• Direction : Bernard Marty, Yves Marrocchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 01/12/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (Vandoeuvre-lès-Nancy, Meurthe-et-Moselle)
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Roskosz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Bolfan-Casanova, Mark Kurz, Evelyn Füri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Bolfan-Casanova, Mark Kurz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Joints de grains

Inclusions

Péridots

Argon

Stockage

Hélium

Mots clés libres

Hélium

Argon

Diffusion

Stockage

Joint de grains

Olivine

Helium

Argon

Diffusion

Storage

Grain boundary

Olivine

Résumé

Les gaz rares sont d’excellents traceurs des hétérogénéités géochimiques et isotopiques présentes dans le manteau terrestre. Cependant, le stockage et le transport de ces éléments dans les minéraux mantelliques restent mal compris. Cette thèse est centrée sur les sites de stockage de l’hélium et l’argon, et leurs mécanismes de diffusion dans les roches mantelliques. Des échantillons d’olivine polycristalline ont été dopés en hélium et argon à haute température (1150 ± 25 and 1050 ± 25 °C) et haute pression (0.30 ± 0.01 GPa), et analysés par chauffage par paliers de température avec un spectromètre de masse. L’influence d’une concentration initiale hétérogène dans l’échantillon sur les diffusivités calculées a également été testée, démontrant la robustesse des paramètres de diffusion obtenus dans cette étude. Les résultats montrent que deux domaines de diffusion sont présents dans l’olivine polycristalline : (i) un domaine à haute température avec une énergie d’activation (Ea) élevée où la diffusion est contrôlée par la diffusion dans la maille cristalline, et (ii) un domaine à plus basse température avec une Ea plus faible où la diffusion est contrôlée par à la fois la diffusion dans la maille cristalline et celle dans les joints de grains. Ces deux domaines sont séparés par une température de transition qui a lieu au moment où les joints de grains ont été vidés. Mes résultats confirment que les joints de grains peuvent représenter un site de stockage significatif pour l’hélium et l’argon. Pour l’hélium, deux populations d’Ea ont été observées dans le domaine de la maille cristalline de l’olivine, interprétées comme correspondant à la diffusion de l’hélium dans les sites interstitiels (Ea = 95 ± 15 kJ.mol-1) et dans les sites vacants du Mg (Ea = 168 ± 19 kJ.mol-1). Pour l’argon, une valeur moyenne des paramètre de diffusion dans la maille cristalline (Ea = 166 ± 44 kJ.mol-1 et logD0 = −7.04 ± 1.13 avec D0 en m2.s-1) a été obtenue à partir des données de la littérature et de notre étude. De plus, les paramètres de diffusion dans les joints de grains ont été déterminés : Ea = 45 ± 12 kJ.mol-1 et D0 = 5.30 ± 1.53 * 10-13 m2.s-1 pour l’hélium, et Ea = 22 ± 5 kJ.mol-1 et log(D0) = -12.33 ± 0.3 pour l’argon avec D0 en m2.s-1. En appliquant ces résultats au manteau supérieur, il s’avère qu’une quantité conséquente d’hélium et d’argon peut être stockée aux joints de grains (~ 22% pour une taille de grain de 1 mm). En conséquence, les diffusivités globales peuvent être significativement plus élevées que celles de la maille cristalline, induisant des implications importantes pour la géochimie et la géodynamique du manteau terrestre

Noble gases are key tracers of mantle geochemical and isotopic heterogeneities and can constrain our understanding of mantle geodynamics. Nevertheless, the basic mechanisms of noble gas storage and transport in mantle minerals remain poorly understood. In this PhD thesis, I focused on helium and argon to constrain their storage sites and the diffusive mechanisms, which occur in mantle rocks. Polycrystalline olivine was doped with helium and argon at high temperature (1150 ± 25 and 1050 ± 25 °C) and high pressure (0.30 ± 0.01 GPa), followed by step heating extraction experiments. I also tested the effect of heterogeneous initial concentrations on the extracted diffusivities, and demonstrate the robustness of diffusion parameters obtained in this study. My results show that two diffusion domains are present in polycrystalline olivine: (i) a high temperature domain with high activation energy (Ea) where diffusion is only controlled by lattice diffusion, and (ii) a lower temperature domain with lower Ea where diffusion is controlled by both grain boundary and lattice diffusion. These two domains are separated by a transition temperature that depends on the depletion of helium or argon hosted in grain boundaries, i.e., the amount of helium or argon stored at grain boundaries and the temperature and duration of the step heating sequence. The results confirm that grain boundaries can represent a significant storage site for helium and argon. Moreover, I constrained argon and helium diffusion in olivine lattice. For helium, I report two different populations of Ea in the lattice diffusion domain, which are interpreted as diffusion in interstitials (Ea = 95 ± 15 kJ.mol-1) and Mg vacancies (Ea = 168 ± 19 kJ.mol-1). For argon, a mean value of diffusion parameters in olivine lattice (Ea = 166 ± 44 kJ.mol-1 and logD0 = −7.04 ± 1.13 with D0 in m2.s-1) is obtained for data from literature and this study. Furthermore, I determine grain boundary diffusion parameters: Ea = 45 ± 12 kJ.mol-1 and D0 = 5.30 ± 1.53 * 10-13 m2.s-1 for helium, and Ea = 22 ± 5 kJ.mol-1 and log(D0) = -12.33 ± 0.3 for argon with D0 in m2.s-1. Applying these results to the upper mantle reveals that high content of helium and argon can be stored at grain boundaries. As a consequence, bulk diffusivities can be significantly higher than lattice diffusivities, inducing important implications for mantle geochemistry and geodynamics