Caractérisation des propriétés de transport chimique aux joints de grain sous hautes pressions et températures

Titre : Caractérisation des propriétés de transport chimique aux joints de grain sous hautes pressions et températures

Laboratoire de rattachement : ISTerre

Encadrant : Fabrice BRUNET

Téléphone : 04.76.51.41.06

Mots clés : Expérimentation, haute pression, conductivité électrique, minéralogie et métamorphisme.

Contexte et objectifs de la mission de stage :

L’affinement des outils géophysiques (sismologie, gravimétrie) et la précision des modèles thermo-mécaniques donnent accès à des informations d’ordre pétrologique dans les zones profondes de la lithosphère (e.g., distribution de la température et des densité en profondeur). Il apparaît de plus en plus clairement que la dynamique lithosphérique et, en particulier, le processus d’éclogitisation (densification) dans certaines zones de convergence, pourrait être influencée par la cinétique chimique (échelle de temps de la 100aine de milliers d’année, Hetenyi et al., 2007). Ce qui relance le débat sur les rôles respectifs de la température et des teneurs en eau sur les cinétiques réactionnelles sous pression (Carlson, 2010).
En réalité, la cinétique chimique dans le métamorphisme est directement liée au transport des espèces chimiques aux joints de grain comme le sont également les propriétés rhéologiques en domaine ductile. Les joints de grain qui restent des objets extrêmement difficiles à caractériser (quelques nanomètres d’épaisseur), apparaissent donc comme des « phases » stratégiques pour la compréhension et la modélisation des processus chimiques et rhéologiques qui affectent la lithosphère. L’utilisation du terme de « phase » n’est pas innocente ici, en effet, cette terminologie sous-tend l’idée que les joints de grain pourraient être considérés comme une phase thermodynamique à part entière. Hiraga et al. (2004) ont de la sorte calculé des coefficients de partage entre grain et joint de grain pour les roches du manteau supérieur. Pour ce qui concerne le transport ionique aux joints de grains, à proprement parler, la notion d’hydratation des joints de grain développée par Rubie (1986) suit également la même logique puisqu’elle considère une hydratation variable jusqu’à un niveau de saturation donné (condition saturée en H2O).
Nous avons montré comment la spectroscopie d’impédance peut permettre d’aborder, en conditions in-situ de pression et température, le rôle de l’hydratation du milieu intergranulaire sur la diffusivité aux joints de grain (Gasc et al., 2011). La spectroscopie d’impédance sous pression et température est un outil prometteur pour caractériser la nature et la diffusivité des porteurs de charge dans le milieu intergranulaire d’un agrégat polycristallin. La diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) est également un outil approprié pour étudier la dynamique de l’eau intergranulaire.
L’objectif de cette thèse est double. Il y a d’une part un défi expérimental qui consiste à mettre en œuvre deux techniques (spectroscopie d’impédance et QENS) à haute pression et haute température, et de les tester sur des matériaux de référence. Dans un second temps, les propriétés dynamiques de l’eau au joints de grain d’un polycristal de brucite, Mg(OH)2, seront étudiées et modélisées par dynamique moléculaire.

Prérequis : Disposition pour le travail expérimental et, en particulier, à la mesure physique. Une bonne partie du travail sera réalisée à Francfort (2 mois prévus). Interaction avec des chercheurs étrangers, anglais parlé indispensable.