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

Soutenance de thèse de Mathilde Roberge le mardi 7 octobre 2014 à 14 h

IMPMC, Université P. et M. Curie, 4, Place Jussieu, 75005 Paris

Salle de conférence, 4e étage, Tour 22-23, Salle 1

Le rôle de la zone de transition dans les cycles profonds du fluor, du chlore et de l’eau

 

 

 

 

 

Résumé

Aujourd’hui, de nombreuses incertitudes demeurent encore sur la répartition et sur le cycle géodynamique du fluor et du chlore. Pour établir un bilan global en F et en Cl sur Terre, les principales inconnues résident dans les quantités présentes dans le manteau. La wadsleyite et la ringwoodite sont les principales phases minérales de la zone de transition. Ces minéraux peuvent incorporer plusieurs poids pourcent d’eau dans leurs réseaux sous forme de défauts ponctuels. Les proximités des rayons ioniques et des charges F, Cl et du groupement hydroxyle suggèrent que ces éléments sont susceptibles de partager les mêmes sites d’incorporation dans la structure. Pour comprendre la répartition ainsi que les cycles géodynamiques de F et de Cl, il est essentiel de mesurer leur solubilité dans ces deux phases.

Pour estimer la capacité de stockage en fluor et en chlore de la zone de transition, des synthèses d’olivine, de wadsleyite et de ringwoodite dopées en NaF ou NaCl, ont été réalisées dans des presses multi enclumes entre 14-22 GPa et 1100°C-1400°C. Des expériences en conditions anhydres et hydratées ont été réalisées pour mieux comprendre le rôle de l’eau sur l’incorporation du fluor, du chlore dans ces phases. Le fluor, le chlore et l’hydrogène de ces phases minérales ont été mesurés par micro-analyse par faisceaux d’ions (microsonde nucléaire). Cet outil a été capable de détecter ces trois éléments avec une précision et une résolution spatiale suffisantes. Un deuxième aspect de cette étude a consisté à étudier les mécanismes d’incorporation de l’eau dans la wadsleyite en couplant l’analyse de spectres expérimentaux infrarouges mesurés aux spectres d’absorption modélisés par méthode ab initio.

Cette étude a permis de montrer que la diversité de défauts OH dans la wadsleyite augmente à mesure d’une hydratation croissante, et de proposer des mécanismes d’incorporation de l’hydrogène en fonction de la teneur en eau.

D’autre part, les solubilités en fluor et en chlore mesurées dans la wadsleyite hydratée (855 ppm F et 200 ppm Cl dans les échantillons hydraté) et la ringwoodite hydratée (760 ppm F et 113 ppm Cl) montrent que pour ces deux éléments la capacité de stockage de la zone de transition est importante. Sur la base de ces données expérimentales, le budget global terrestre en fluor et en chlore a été recalculé. Ce dernier pourrait atteindre 24x1022 g de F, 15x1022 g de Cl. Ces valeurs sont deux fois plus importantes que les abondances déterminées en supposant que la composition du manteau soit homogène. Ces nouvelles données pourraient remettre en cause les modèles d’accrétion de la Terre.

 

 

Mots clés : zone de transition, fluor, chlore, eau, élément volatil, capacité de stockage, mécanisme d’incorporation, cycle géodynamique.

 

Abstract

Fluorine and chlorine global distribution and their geodynamical cycles remain poorly understood since it is difficult to estimate the amount of these two elements on the Earth’s mantle. Wadsleyite and ringwoodite are the main mineral phases of the transition zone, these minerals phases can host several weight percents of water. Since the ionic radii and charge of fluorine and chlorine are close to the hydroxyl group, these elements are likely to share the same occupancy sites in the mineral structure. The determination of the F and Cl solubilities of wadsleyite and ringwoodite are critical to understand the distribution and the geochemical cycles of these two elements.

To estimate the storage capacity of fluorine and chlorine in the transition zone, syntheses of olivine, wadsleyite and ringwoodite doped with NaF or NaCl were carry out in a multi-anvil presses under 14-22 GPa and 1100°C-1400°C. Both hydrous and anhydrous experiments were performed, to have a better understanding the effect of water on the fluorine and chlorine incorporation. Fluorine, chlorine and hydrogen contents were determined using ion beam micro-analysis (nuclear microprobe). This technique is able to detect these three elements with a sufficient accuracy and spatial resolution. The second part of this work study of water incorporation mechanisms in wadsleyite by coupling the analysis of experimental infrared spectra to absorption spectra calculated by first principles.

This study has shown that the variety of defects in OH wadsleyite increases with the water content. We also provide hydrogen incorporation mechanisms in wadsleyite as function of the water content. Fluorine and chlorine solubilities determinded in this study in hydrous wadsleyite (855 ppm F, 200 ppm Cl) and hydrous ringwoodite (760 ppm F, 113 ppm Cl) show that the storage capacities of the transition zone for these two elements are large. In the light of these results, the fluorine and chlorine Earth budget are recalculated. By mass balance calculation we obtained 24x1022 g of F and 15x1022 g of Cl in Earth. These values are twice more significant than Earth fluorine and chlorine budget determined by assuming a homogeneous mantle composition. The new data might revisit Earth’s accretion models.

 

 

Keywords: transition zone, fluorine, chlorine, water, volatile element, storage capacity, incorporation mechanism, geodynamical cycle.

 

Composition du jury

 

Jannick INGRIN , Université Lille (Rapporteur)

Valérie MALAVERGNE, Université Paris-Est Marnes-La-Vallée (Rapporteur)

Pierre AGRINIER Université Paris Diderot – Paris VII, (Examinateur)

Nathalie BOLFAN-CASANOVA, Université Blaise Pascal (Examinateur)

Hélène BUREAU, Université Pierre et Marie Curie – Paris VI (Directrice de thèse)

Guillaume FIQUET, Université Pierre et Marie Curie – Paris VI (Directeur de thèse)

Cécile Duflot - 17/02/16

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Adresse physique

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Université Pierre et Marie Curie - 4, place Jussieu - Tour 23 - Barre 22-23, 4e étage - 75252 Paris Cedex 5

 

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Contact : Antonella Intili : Barre 22-23, 4e étage, pièce 420, 33 +1 44 27 25 61

 

 

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