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Hydrogen diffusivity in wadsleyite : estimation of the water content in the transition zone of the earth's mantle
No full textCe manuscrit présente une étude expérimentale de la diffusion de l’hydrogène (H) dans la wadsleyite à basses températures et pression ambiante et une analyse par spectroscopie infrarouge des défauts OH de la wadsleyite et de la ringwoodite, les constituants majeurs de la zone de transition du manteau (ZT ; entre 410 et 670 km de profondeur). Après synthèses des échantillons par presse multi-enclume, des expériences d’échange isotopique hydrogène-deutérium (H-D) entre 450 et 300°C et à pression ambiante permettent de suivre l’évolution des concentrations en défauts OH dans la wadsleyite polycristalline par spectrométrie infrarouge en fonction du temps de recuit. Ces expériences montrent 2 cinétiques d’extraction clairement distinctes avec 6 bandes OH plus lentes. Des mesures sur monocristaux en polarisation et d’autres entre -194 et 50°C tendent à les lier à des défauts impliquant des sites tétraédriques. Des différentes mesures du coefficient de diffusion d’échange H-D, nous tirons 2 lois logDH=-6.04(±1.49)-153(±11)/RTln(10) pour la limite basse et logDH=-4.26(±1.36)-164(±10)/RTln(10) pour la limite haute. Selon les modèles de conductivité électrique terrestre, en supposant celle-ci comme étant la résultante de la mobilité de H+ uniquement, ces lois permettent une estimation des teneurs en eau dans la ZT très probablement supérieure à 0,1 wt%H2O et atteignant la saturation pour les régions à très forte conductivité électrique. Ceci impliquant une teneur en eau au moins 10 fois plus élevée que l’estimation de référence pour la wadsleyite (Hae et al., 2006) et compatible avec celle (1 wt%H2O) d’un échantillon naturel de ringwoodite découvert récemment (Pearson et al., 2014).This manuscript presents an experimental study of hydrogen (H) diffusion in wadsleyite at low temperatures and ambient pressure and an infrared spectroscopy (FTIR) analysis of H-related defects for wadsleyite and ringwoodite, the main components of the mantle transition zone (TZ; from 410 to 670 km depths). These mineral phases ability to incorporate high H-contents suggests that the mantle TZ is an important potential H reservoir. Hydrogen-deuterium (H-D) isotopic exchange experiments have been done at low temperatures (between 450 and 300°C) and ambient pressure and evolution of wadsleyite H-defects is followed by FTIR spectroscopy in function of annealing time. These experiments show two clearly distinct kinetics of extraction with 6 slower OH bands that polarized FTIR spectroscopic measurements on monocrystals, other at very low temperatures (-194 to 50°C) tend to link with defects involving tetrahedral sites.The measured H-D exchange diffusion coefficients show that the H “self diffusivity” in wadsleyite is delimitated by two diffusion laws in m2/s: logDH=-6.04(±1.49)-153(±11)/RTln(10) for the lower limit and logDH=-4.26(±1.36)-164(±10)/RTln(10) for the upper limit.According to the Earth’s electrical conductivity models and assuming this one as the only product of the proton’s mobility, we show that water content in TZ is most likely higher than 0.1 wt% H2O and potentially up to saturation concentrations. This implies a water content at least 10 times higher than the previous estimate from the diffusion study of Hae et al.(2006) and compatible with the recent discovery of a natural 1wt%H2O water content ringwoodite sample included in a diamond (Pearson et al.,2014)
Do mantle xenoliths preserve deep OH signatures? Evidences from field and experiments
No full textInternational audienc
Signatures des interactions fluide-roche dans le manteau sous-continental (Massif Central Français) : Une approche H, Li, δ7Li, et éléments trace
No full textDes xénolites de péridotite provenant de deux localités du sud du Massif Central Français (Allègre et Mont Coupet), émis avec des modes éruptifs différents, ont été étudiés pour définir l’évolution du manteau sous continental et pour étudier le comportement de Li et H lors des réactions fluides roches lors de leur remonté vers la surface. Un ensemble de 6 xénolites représentatifs a été sélectionné pour chaque localité. La description pétrologique et minéralogique de chaque échantillon a été associée à la mesure des compositions chimiques en éléments majeur (par microsonde électronique) et trace (par LA-ICP-MS) des principales phases minéralogiques (Olivine, Pyroxène, Amphibole). La teneur et la composition isotopique du Li ont été mesurées par microsonde ionique (SIMS), et les teneurs en eau par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier (FTIR) et SIMS dans les pyroxènes et les olivines. Pour les xénolites d’Allègre, les anomalies négatives en HFSE et les rapports LREE/HREE élevés reflètent un métasomatisme lié à des liquides carbonatitiques, succédant à un processus de fusion partielle du manteau lithosphérique. Pour les échantillons du Mont Coupet, Les anomalies négatives en Ti et Nb des Cpx de tous les échantillons et les anomalies négatives de Zr et Hf pour deux échantillons plus fortement métasomatisés (MC38 et MC34) soulignent également un métasomatisme carbonatitique. Les amphiboles des échantillons MC36 et MC53, dont l'origine doit être associée à des fluides de subduction, sont à l’équilibre avec les Cpx coexistant, ce qui indique que le fluide qui a permis leur formation n’a pas enrichi les Cpx en LREE ou LILE. La composition isotopique de des xénolites d’Allègre montre qu’ils ont été affectés par un métasomatisme en au moins deux étapes par des fluides différents. Les teneurs très élevées en Li des Cpx (jusqu'à 50 ppm) et l’enrichissement même modéré des bordures des olivines sont attribués à un apport de Li par diffusion depuis le magma hôte. Par contre, les compositions isotopiques pauvres en 7Li préservées au coeur des Ol (δ7Li jusqu’à -25‰) suggèrent l’existence d’un autre évènement métasomatique ayant affecté les péridotites avant leur remonté vers la surface. En revanche, les minéraux des xénolites de Mont Coupet ont des concentrations en Li similaires à celles du manteau, avec une répartition à l’équilibre entre les minéraux. Cependant les valeurs de δ7Li négatives observées pour les Cpx et Opx de certains échantillons suggèrent une interaction avec un fluide en quantité limitée et une composition isotopique négative. La préservation du fractionnement isotopique du Li entre les pyroxènes et olivines indique que cette interaction a du avoir lieu peu de temps avant l'entrainement des xénolites vers la surface. Les fluides métasomatiques à l’origine des valeurs de δ7Li négatives observées à Allègre et à Mont Coupet sont liés à un environnement de subduction, probablement lié à l'orogenèse varisque dans le cadre régional du FMC. Les teneurs en eau mesurées dans les xénolites d’Allègre vont de 10,6 à 12,4 ppm, des valeurs beaucoup plus faible que celle du manteau source des MORB. Ceci s’explique par une perte d’eau associée au dégazage du magma lors du refroidissement du lac de lave. L’absence de variation cœur-bord montre une distribution de l’eau à l’équilibre entre les xénolites et la lave hôte. A l’inverse, les xénolites du Mont Coupet ont pu conservé leur teneur en eau acquise en profondeur, contrôlée par les processus de fusion partielle qui ont affecté les péridotites. Cependant, l'échantillon MC34, affecté par le métasomatisme carbonatitique, a la plus haute teneur en eau parmi ces xénolites. Inversement, les échantillons MC36 et MC53 qui contiennent des amphiboles, n’ont pas des teneurs en eau élevées, suggérant que l'agent métasomatique responsable de la formation des amphiboles n'a pas enrichi en eau les autres phases de la péridotite.Peridotite xenoliths sampled from two volcanoes erupting in different modes in two localities, Allègre and Mont Coupet, in the southern domain of the French Massif Central (FMC), have been investigated to constrain the evolution of the sub-continental lithospheric mantle beneath the FMC and the behaviors of Li and H during melt-rock reactions. To answer these questions, a set of 6 representative xenoliths was selected for each locality, and described for their mineralogy and petrography. In-situ measurements were then performed for major and trace elements in Ol, Cpx and Amp when existing, via EPMA and LA-ICP-MS respectively, for Li concentrations and isotopic compositions in pyroxenes and Ol (via SIMS), and water concentrations in minerals (via FTIR and SIMS). Negative HFSE anomalies and markedly high LREE/HREE ratios reflect a carbonatite-related metasomatism following an earlier partial melting process in the lithospheric mantle under Allègre. The Ti and Nb negative anomalies in Cpx from all the Mont Coupet samples and Zr-Hf negative anomalies in Cpx from two most strongly metasomatized samples MC38 and MC34 also point to a carbonatite-related mantle metasomatism. Amp in samples MC36 and MC53, whose origin should be associated with fluids from the subducting slab, have equilibrated most of the trace element composition with coexisting Cpx and the modal metasomatism responsible for the Amp genesis haven’t refertilized Cpx in LREE and LILE. Lithium isotope systematics indicates that Allègre xenoliths were overprinted by (at least) a two-stage metasomatism by melts of different origins. Exceptionally high Li concentrations in Cpx (up to 50 ppm by weight) and slightly increased Li contents at Ol rims are ascribed to a diffusive Li uptake from infiltrating melts derived from the host magma. On the other hand, extremely light Li isotopic compositions preserved in Ol cores (with δ7Li as low as -25‰) suggest another metasomatic event prior to xenolith entrainment by the host magma. In contrast, xenoliths from Mont Coupet have Li concentrations in constituent minerals similar to the normal mantle, and display nearly equilibrated inter-mineral Li partitioning and homogeneous intragranular Li distribution in every phase. The negative δ7Li values of Cpx and Opx in some samples were brought by the exchange with a small-volume melt with Li concentration similar to the normal mantle and light Li isotopic compositions. The preservation of inter-mineral large Li isotopic fractionation currently observed in these samples indicates that the percolation of the melt should occur shortly prior to the entrainment of Mont Coupet peridotite xenoliths by the host magmas. The metasomatic agents, accounting for negative δ7Li values in Ol cores in Allègre xenoliths and in Cpx and Opx in some Mont Coupet xenoliths, are related to a subduction environment. In the regional framework of the FMC, the subduction event most likely occurred during the Variscan orogeny. Water content in Allègre xenoliths ranges from 10.6 to 12.4 ppm in weight, much lower than the water content in the MORB source mantle. It implies that water were lost during the degassing of the host magma during slow cooling of the lava lake. No core-rim variations from profile analysis suggest that xenoliths have achieved water diffusive equilibrium with the host magmas. Peridotite xenoliths from Mont Coupet have retained their original water content from the mantle depths. Partial melting has controlled the water content in most samples from Mont Coupet. However, the subsequent carbonatite-related metasomatism has affected the sample MC34, which had the highest water content among the Mont Coupet xenoliths. And the aqueous agent responsible for presence of Amp in samples MC36 and MC53 has not lead to the considerable increase of water content
Microscopie electronique en transmission de geomateriaux; volcanisme : produits pyroclastiques des Antilles; metamorphisme : coesite dans un quartzite alpin
No full textSIGLECNRS T 58556 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc
Results of experimental tests of OH preservation in mantle xenoliths: Example from Allègre volcano samples (Massif Central, France)
No full textInternational audienc
ETUDE DE L'ETAT CHIMIQUE DU FER ET DE LA STRUCTURE A L'ECHELLE NANOMETRIQUE D'OXYDES CIMENTIERS PAR SPECTROSCOPIE DES PERTES D'ENERGIE D'ELECTRONS ET MICROSCOPIE ELECTRONIQUE EN TRANSMISSION
No full textDANS CETTE THESE, LA MICROSCOPIE ELECTRONIQUE EN TRANSMISSION (MET) AINSI QUE LES DERNIERS DEVELOPPEMENTS DE LA SPECTROSCOPIE DES PERTES D'ENERGIE D'ELECTRONS (EELS) ET DE LA SPECTROSCOPIE DE DISPERSION EN RAYONS X (EDXS) ONT ETE EXPLOITES POUR ETUDIER LA MINERALOGIE DES CIMENTS ALUMINEUX (CAC) A L'ECHELLE SUB-MICRONIQUE A NANOMETRIQUE. ON S'EST INTERESSE TOUT PARTICULIEREMENT A CARACTERISER DANS CES PHASES MINERALES L'ORDRE STRUCTURAL, LA COMPOSITION CHIMIQUE AINSI QUE L'ETAT CHIMIQUE DU FER. APRES AVOIR DETAILLE L'ORIGINE PHYSIQUE DES RAIES EELS FE L 2 , 3 DANS LES OXYDES NOUS PRESENTONS L'EXPLOITATION QUANTITATIVE DE CES RAIES POUR LA DETERMINATION DU RAPPORT FE 2 +/FE 3 +. POUR LA PREMIERE FOIS, NOUS MONTRONS UN DICHROISME LINEAIRE PARTIEL, DONT L'ORIGINE PEUT ETRE MAGNETIQUE OU NATURELLE, DES RAIES FE L 2 , 3 OBTENUES PAR SPECTROSCOPIE EELS DANS UN MICROSCOPE AINSI QUE L'INFLUENCE DE CES EFFETS D'ANISOTROPIE SUR LA DETERMINATION DU TAUX REDOX. APRES AVOIR CARACTERISE, PAR L'UTILISATION DE CES TECHNIQUES EELS-EDXS, LES HETEROGENEITES NANOMETRIQUES DES PHASES CIMENTIERES, NOUS MONTRONS QUE LES PHASES FERRITES DES CAC SONT, EN FAIT, COMPOSEES PAR UN ASSEMBLAGE DE PHASES DE STRUCTURE BROWNMILLERITE ET PEROVSKITE. L'EXISTENCE D'UN SOLVUS SITUE ENTRE LES POLES CA(AL X,FE 1 X)O 2 . 5 ET CA(TI Y,SI L Y)O 3 PROBABLEMENT CENTRE AUTOUR DE CA(AL X,FE 0 . 9 X)TI 0 . 1O 2 . 5 5 DONNE NAISSANCE A CES EXSOLUTIONS DONT LA TAILLE N'EXCEDE PAS QUELQUES NANOMETRES. CE RESULTAT EST COMPARE A DES SYSTEMES DE BROWNMILLERITE - PEROVSKITE DE CHIMIE PLUS SIMPLE. L'ETUDE DES STRUCTURES FINES AUX SEUILS O-K, FE L 2 , 3 DEVOILE QUE LES PROCESSUS DE COMPENSATION DE CHARGE ASSOCIES A CES SUBSTITUTIONS IMPLIQUE PLUTOT LA CREATION DE LACUNES D'OXYGENES QUE L'INTRODUCTION DE CHARGES. LE CARACTERE FORTEMENT SOUS-STCHIOMETRIE DE CES PEROVSKITES ET LE ROLE DE CES LACUNES DANS LA SURPRENANTE SOLUBILISATION DU SILICIUM DANS CES STRUCTURES A PRESSION AMBIANTE EST ALORS MONTREE PAR L'ETUDE DES SEUILS AL-K, SI-K.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF
Hydrogen in Ca-rich garnets (diffusion and stability of the OH-defects)
No full textTOULOUSE3-BU Santé-Centrale (315552105) / SudocSudocFranceF
Anisotropy of hydrogen diffusion in tourmaline
No full textInternational audienceHydrogen deuterium exchange in tourmaline single crystals of elbaite composition from Nepal has been studied at 1 atm and at temperatures between 973 and 1073 K. H/D ratios were determined after each annealing experiment using micro FTIR-spectroscopy. Diffusion coefficients (10?16 10?15 m2 s?1) were determined by fitting the data using a 3D numerical simulation. The rate of diffusion is two to three times faster along the c direction than along directions parallel to the basal plane. The diffusion laws are, respectively: LogD=-9.8±1.0-106.3±36.82.3RT and LogD=-12.2±0.5-66.8±19.62.3RT, with D in m2 s?1, T in Kelvin and the activation energy in kJ mol?1. The diffusion rates are one order of magnitude faster, and have slightly lower activation energies, than those found by previous authors for schorlite (125 kJ mol?1). The closure temperature of hydrogen isotope exchange in the tourmaline-water system is lower for elbaite than for schorlite
Modélisation 3D de la diffusion atomique dans les minéraux (applications à l'étude des isotopes de l'hydrogène et de l'oxygène, et du couple Al-S)
No full textTOULOUSE3-BU Sciences (315552104) / SudocTOULOUSE-Observ. Midi Pyréné (315552299) / SudocSudocFranceF
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