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Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie
UMR 7590 - UPMC/CNRS/IRD/MNHN

Minéraux mantéliques et magmas silicatés

Etant donné le rôle des éléments volatils dans la dynamique du manteau, il est important de comprendre les mécanismes d’incorporation de ces éléments dans les minéraux, que ce soit en traces ou comme éléments majeurs. Dans les intérieurs planétaires, les minéraux sont majoritairement anhydres nominalement, et la présence d’hydrogène sous la forme de groupements hydroxyles (i.e. « eau ») a des conséquences importantes sur les propriétés physiques des assemblages minéralogiques, affectant des processus tels que la propagation des ondes sismiques. Ainsi les éléments volatils influencent significativement les propriétés physiques des minéraux mais aussi les courbes de fusion, et modifient de façon drastique la densité et la viscosité des liquides silicatés. Cependant, bien qu’une solide connaissance de ces effets soit établie pour l’eau à grande profondeur, nos connaissances sont encore bien rudimentaires pour certains éléments volatils, inexistantes pour d’autres.

Les éléments volatils sont également des traceurs clef des processus terrestres (différenciation planétaire, magmatisme, recyclage). Deux exemples majeurs sont les halogènes qui sont recyclés depuis la surface de la Terre vers la profondeur, et les gaz rares dont les isotopes sont utilisés pour dater et quantifier la dynamique planétaire.

Éléments volatils en traces dans les minéraux

Nous avons développé une solide expertise expérimentale sur l’incorporation des volatils dans les minéraux du manteau (MP3). Leur quantification reste un problème clef. Leurs solubilités peuvent être déterminées par nanoSIMS (COSMO, ROCKS) combinée avec d’autres méthodes d’analyse par faisceaux d’ions comme l’ERDA, le PIXE, la NRA (MP3). Bien que des progrès significatifs aient été réalisés, la cristallochimie des minéraux nominalement anhydres reste peu comprise. Une approche combinant les calculs ab initio de l’incorporation des espèces moléculaires dans les hôtes cristallins, la prédiction des facteurs de fractionnement à l’équilibre isotopique, la spectroscopie vibrationnelle (expérimentation et théorie) est développée dans le but de clarifier les mécanismes d’incorporation des éléments volatils dans les minéraux (MINENV). 

 

Éléments volatils en tant que composants majeurs des minéraux de haute pression : diamants

Le carbone est capable de former des minéraux en profondeur, des carbonates ou des diamants (minéral de carbone pur). Ces derniers sont des exemples naturels de l’existence d’un cycle profond des éléments volatils. L’étude des diamants du manteau terrestre bénéficie de la comparaison entre les diamants synthétisés au laboratoire avec les diamants gemmes naturels et les carbonados provenant des collections minéralogiques parisiennes (UPMC, MNHN, MINES ParisTech). Cela nous permet de comprendre la formation des diamants et d’avoir des informations sur le cycle profond du carbone (MP3, ROCKS).

 

Éléments volatils dans les magmas silicatés

L’effet des éléments volatils sur les propriétés des liquides silicatés est significatif, les espèces volatiles (H2O, CO2, halogènes) affectent la densité, la viscosité, la fusion partielle, la cristallisation des magmas silicaté, elles affectent la remontée magmatique et la dynamique volcanique. Une fois relâchés dans l’atmosphère par dégazage, les éléments volatils peuvent affecter le climat et la chimie de la couche d’ozone. En profondeur, les éléments volatils influencent aussi les propriétés physiques des liquides silicatés (ex. limite lithosphère-asthénosphère, zone de transition, limite noyau-manteau). Plusieurs stratégies sont développées : des études expérimentales essentiellement dédiées à la caractérisation in situ des silicates liquides enrichis en éléments volatils à hautes pression et température (cellules à enclumes de diamant, presses Paris-Edinburgh, presses multi-enclumes) combinées avec des caractérisations soit au laboratoire (Raman, infrarouge, rayons X…) soit par rayonnement synchrotron (DRX, EXAFS, XANES, SXRF, Infrarouge…), et l’étude d’échantillons naturels comme les inclusions vitreuses piégées dans les minéraux (MP3, ROCKS, COSMO).

Cécile Duflot - 20/12/17

Traductions :