Thèse soutenue par Alexandra Demers-Roberge, le 28 avril 2021, Institut des sciences de la Terre (ISTE)
L’eau est un élément fondamental pour le fonctionnement de la Terre, autant pour les interactions de surface que pour celles ayant lieu en profondeur. Dans le manteau terrestre, l’eau se retrouve dans les minéraux dits anhydres (NAMs en anglais) sous forme d’hydrogène, incorporé dans les défauts cristallins, se liant aux atomes d’oxygène préexistants dans la structure des minéraux silicatés (olivine, clinopyroxène, orthopyroxène, grenat). L’eau dans les NAMs a un effet important sur les propriétés rhéologiques, physiques et chimiques du manteau et par conséquent sur des processus à grande échelle, tels que la tectonique des plaques.
Dans ce travail de thèse, j’ai combiné l’étude d’orthopyroxènes expérimentaux et naturels afin de mieux comprendre les mécanismes d’incorporation de l’hydrogène dans ce minéral, le second plus abondant du manteau supérieur.
Dans la première partie de ce travail, une série d’expériences de déshydratation sur des cristaux d’orthopyroxènes naturels a été produite en variant la température, l’activité de la silice, la fugacité d’oxygène et la composition. Ces expériences ont été effectuées dans le but d’étudier les effets de ces paramètres sur la diffusivité de l’hydrogène ainsi que sur les spectres obtenus par Spectroscopie Infrarouge Transformée de Fourier (FTIR) de l’orthopyroxène. Les spectres FTIR sont composés de pics dont la position varie selon l’énergie vibrationnelle moléculaire entre les éléments chimiques dans les cristaux. Dans le cas présent, la région d’intérêt est celle des interactions oxygène-hydrogène. Chaque pic dans cette région représente un mécanisme d’incorporation de l’hydrogène dans les défauts cristallins. L’étude expérimentale de ces pics permet de comprendre les mécanismes de substitution de l’hydrogène dans l’orthopyroxène.
Dans la deuxième partie de ce travail, une étude pétrographique et géochimique, combinant éléments majeurs et traces, ainsi que l’estimation des contenus en eau évalués avec le FTIR, a été effectuée sur des xénolithes mantelliques provenant de huit localités sur un transect d’arrière-arc SW-NE en Patagonie du Sud. Ces xénolithes montrent des textures de réactions ainsi qu’un enrichissement en éléments traces qui témoigne d’un processus de métasomatisme. Le long du transect, les contenus en eau des orthopyroxènes ainsi que leurs spectres FTIR sont variables.
Les conclusions principales sont les suivantes :
- les diffusivités de l’hydrogène qui ont été mesurées dans cette étude sont rapides et suggèrent que le mécanisme de diffusion dit « proton-polaron » est dominant,
- l’influence de la fugacité d’oxygène, la température et l’activité de la silice sur un pic de FTIR situé à 3600 cm-1 suggère des réactions inter-sites,
- le long du transect en Patagonie, les spectres FTIR de l’orthopyroxène mantellique peuvent être séparés en deux groupes et cette séparation n’a pas de systématique de l’échelle locale à l’échelle régionale,
- la combinaison entre des diffusivités rapides de l’hydrogène et l’observation de nombreux profiles de déshydratation dans l’orthopyroxène mantellique suggèrent que les contenus en eau originaux du manteau ont été modifiés.
Cela signifie que l’orthopyroxène n’enregistre pas de façon totalement fiable les contenus originaux en eau du manteau.
