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L'Iode et le Xénon dans les magmas : Deux comportements différents

Thèse de Clémence LEROY

Thèse soutenue le 24 mai 2016 à 14h
IMPMC,
Salle de conférence (Salle 1) - 4e étage - Barre 22-23,
Université P. et M. Curie - 4 Place Jussieu - 75005 Paris

Cotutelle

Résumé

La présence de magmas en profondeur permet de contraindre des processus géologiques passés et actuels. Ces magmas (i.e. liquides silicatés) participent aux cycles géochimiques des éléments volatils comme vecteur de matière.
Nous étudions deux éléments volatils complémentaires : l’iode (I), un halogène, et le xénon (Xe), un gaz rare. Leur système radioactif éteint 129I/129Xe (T1/2 = 15.7Ma) est utilisé pour dater les processus hadéens et la formation de l’atmosphère, issu de l’évolution d’un océan magmatique. Or on connait peu le comportement de l’iode et du xénon dans les magmas en profondeur à haute pression et température.
Notre protocole expérimental vise l’étude de l’incorporation de l’iode et du xénon et de leur solubilité dans les magmas. Pour étudier l’incorporation, la structure des silicates liquides a été caractérisée par diffraction de rayons X avec des expériences in situ réalisées dans des cellules à enclumes de diamant et dans des presses Paris-Édimbourg. Les teneurs de solubilité de l’iode et du xénon ainsi que l’eau ont été mesurés par les méthodes PIXE et ERDA.
À hautes pressions, l’iode possède une forte solubilité (quelques %pds) dans les magmas. Les résultats préliminaires sur son incorporation dans du basalte montrent que l’iode ne formerait pas des liaisons covalentes. À haute pression et température (T>300°C – P>1GPa), le xénon forme une liaison covalente Xe-O avec les oxygènes des anneaux de 6 tétraèdres SiO44-. Le xénon a une solubilité élevée dans les magmas (4pds% - 1600°C – 3.5GPa).
Les modèles de datation et des cycles géochimiques de l’iode et du xénon doivent être revus en tenant compte de leur comportement différentiel dans les magmas.

Mots clés : magma ; iode ; xénon ; éléments volatils, incorporation ; solubilité

 

Abstract

The presence of magmas at depth helps to constrain past and actual geological processes. Magmas (i.e. silicate melts) participate in geochemical cycles of volatile elements, as vectors of chemical transfers.

We study two complementary volatile elements: iodine (I), a halogen, and xenon (Xe), a noble gas. Their extinct 129I/129Xe isotopic system (half-life of 15.7Ma) is used to date Hadean processes and Earth’s atmosphere formation since the atmosphere originated from the Magma Ocean’s evolution. However, little is known about the behavior of both iodine and xenon in silicate melts at depth, under HT and HP conditions.

Our experimental protocol aims at elucidating the incorporation process of xenon and iodine in silicate melts, and their solubility. To understand the incorporation of iodine and xenon in magmas, the structure of silicate melts was investigated by in situ diamond anvil cells and Paris-Edinburgh press experiments coupled with X-ray diffraction characterization. Iodine and xenon’s solubility, along with water content are obtained by PIXE and ERDA methods using a nuclear microprobe.

At high pressure, iodine has a high solubility (about few wt.%) in magmas. Preliminary results on iodine incorporation in basaltic melt show an absence of covalent bond. At high pressure and temperature conditions (T>300°C – P>1GPa), xenon forms a Xe-O covalent bond with the oxygens of the 6-membered-rings of the melt network. Its solubility in silicate melts is also high (about 4wt.% in haplogranite melts at 1600°C and 3.5GPa).

Considering the xenon and iodine differential behavior in melts at depth, a revision of dating models in xenon and iodine cycles must be considered.

 

Composition du jury

  • Marc Blanchard - IMPMC/UPMC - Examinateur
  • Mohamed Ali Bouhifd - LMV/ Univ. Blaise-Pascal  - Rapporteur
  • Hélène Bureau - IMPMC/UPMC - Directrice de thèse
  • Nicolas Coltice - LGLTPE/UCB Lyon 1 - Examinateur
  • Gaëlle Prouteau - OSUC/ISTO - Rapporteur
  • Chrystele Sanloup - ISTeP/UPMC - Directrice de thèse
  • Burkhard Schmidt - Georg-August Universität Göttingen - Examinateur

25/09/17

Traductions :

    MATISSE en chiffres

    • 4 disciplines : Chimie, Physique, Sciences de la Terre, Patrimoine
    • 400 permanents

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