Incorporation et diffusion des gaz rares dans les joints de grain. – INDIGO

Sintering and doping by high pressure techniques: piston cylindre and Paterson press
Nobles bases spectrometry
SEM, EBSD and TEM

- Première publication de rang-A, (EPSL, 2015) par le groupe de recherche INDIGO.
- Talk invité, S. Demouchy and P. Brunard en décembre 2015 (AGU fall meeting).
- Obtention des coefficients de diffusion He et Ar dans les joints de grain de l’olivine (Delon et al., soumis, Chemical Geology).

Pour l'année qui vient, nous nous concentreront sur le dopage des échantillons d'olivine déformé et des mélanges olivine+diopside.

1. Burnard P, Demouchy S, Delon R ., Arnaud N,. Marrocchi, Y., Cordier P, Addad A. (2015) The role of grain boundaries in the storage and transport of noble gases in the mantle. Earth Planet. Sci. Lett. 430, 260-270. doi : 10.1016/j.epsl.2015.08.024
2. Delon R ., Demouchy S, Marrocchi Y., Boudhifd M., A., Barou F., Cordier P., Addad, A., Burnard P, A.. Helium incorporation and diffusion in polycrystalline olivine. Submitted to Chem Geol. August 2017.

Les gaz rares sont des traceurs clés de l'évolution du manteau terrestre et des son interaction avec l'atmosphère. Les hétérogénéités isotopiques des gaz rares sont importantes et aujourd'hui bien connues et leur l'abondance dans le manteau de la Terre influence de manière fondamentale notre compréhension de la géodynamique du manteau profond. Par exemple, les compositions en Xe isotopiques des roches du manteau démontrent qu'une partie du manteau a conservé du matériel qui est au moins vieux de 4,45 Ga (Mukhopadhyay, Nature, 2012). Toutefois, afin de déterminer comment ces gaz rares primordiaux ont été conservés, nous avons besoin de contraintes sur leur comportement dans le manteau (c’est à dire leurs lieux de stockage, comment ils se partagent lors de la fusion et de la façon dont ils peuvent être transportés, remobilisés, et recyclé à grande et petite échelle). À l'heure actuelle, ces paramètres sont largement mal contraint en raison de certains verrous techniques (expériences de synthèse et/ou analyses difficiles), mais aussi – et surtout - parce que le comportement des gaz rares dans les minéraux silicatés est complexe, avec de nombreux sites possible à l'échelle atomique. INDIGO vise à effectuer une série d'expériences innovantes permettant d’avancer sur le comportement des gaz rares dans les silicatées polycristallins du manteau. Ces expériences serviront de base pour les modèles thermodynamiques qui peuvent être appliquées aux conditions du manteau. Les récents résultats préliminaires par les porteurs de projet ont démontré que les méthodes proposées sont réalisable, efficaces, et pratiques pour l'étude des gaz rares aux conditions de pressions et de température pertinentes pour le manteau terrestre (Burnard, Demouchy, Arnaud, en prep).

Un nouvel aspect important de notre approche dans le project INDIGO par rapport aux travaux antérieurs est que nous allons étudier le comportement des gaz rares (partage, diffusion) en matériau polycristallin ; il a été récemment démontré (Hiraga et al, Nature 2004) que les interfaces intergranulaires fournissent d'importants sites de stockage potentiels pour les éléments incompatibles, y compris les gaz rares, et le stockage aux interfaces influenceraient alors le comportement des gaz rares dans l'environnement mantellique.

Au cours des dix dernières années, les interfaces intergranulaires dans les matériaux géologiques et leur influence sur les processus géologiques (allant de l'hébergement de la source lors de la déformation à la diffusion des espèces chimiques) ont bénéficié d'une mise en avant importante et méritée (compte tenu de leur importance) à travers le monde. Le project INDIGO a également l'intention d'utiliser les gaz rares afin d'étudier la nature même des interfaces intergranulaires (structure défective). Étant inerte, les gaz rares ne forment pas de liaisons chimiques avec les autres éléments (dans des conditions terrestres), de plus, les gaz rares sont des traceurs passifs pour l'environnement entourant l'atome. Comme les rayons atomique des gaz rares varient considérablement et systématiquement avec la masse, ces variations peuvent être utilisés pour sonder la structure des solides non-cristallins: par exemple, les gaz rares se dissolvent dans les lacunes des liquides silicatés et leurs solubilités (en fonction de rayon atomique) permet de quantifié la distribution de ces lacunes dans le liquide. Les joints de grains sont également riches en lacunes atomiques et à travers nos expériences, les gaz rares peuvent même élucider la structure des joints de grain eux-mêmes. Cela n'a jamais été proposé auparavant.

Les interfaces intergranulaires et la géochimie des gaz rares sont très «actuelles» aujourd'hui: au cours des 10 dernières années, il y a eu plus de 20 articles soit sur les gaz rares dans le manteau, soit sur les joints de grains dans les phases du manteau de la science de la terre dans les revues scientifique de premier plan.