Cinétiques syn-éruptives de cristallisation des plagioclases dans les magmas différenciés

par Edith Mollard

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre

Sous la direction de Jean-Louis Bourdier.

Soutenue le 30-11-2011

à Orléans , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et technologies (Orléans) , en partenariat avec Institut des sciences de la terre d'Orléans (équipe de recherche) .

Le président du jury était Didier Laporte.

Le jury était composé de Jean-Louis Bourdier, Didier Laporte, Stéphanie Duchêne, Mathieu Roskosz, François Faure, Caroline Martel.

Les rapporteurs étaient Stéphanie Duchêne.


  • Résumé

    Afin de mieux prévoir le type d’éruption (effusif ou explosif) des volcans d’arc, il est primordial d’étudier les vitesses d’ascension du magma dans le conduit volcanique. Un moyen d’appréhender ces modalités d’ascension est de déterminer les cinétiques des processus intervenant lors de la remontée magmatique. Ainsi, nous avons choisi d’étudier les cinétiques de cristallisation (vitesses de nucléation et de croissance) des microlites de plagioclase par une approche expérimentale, puis théorique, à partir de compositions synthétiques reproduisant le verre rhyolitique interstitiel du magma de la Montagne Pelée et son analogue simplifié (haplotonalite). Nos résultats révèlent que le magma décomprimé à partir de 200 MPa selon différentes vitesses de décompression (ΔP/Δt = 1200, 150 et 30 MPa/hr) jusqu'à une pression finale donnée entre 160 et 25 MPa, montre différentes modalités de cristallisation des plagioclases. En particulier, plus la vitesse de décompression est lente, plus la densité numérique de cristaux est élevée. Les vitesses de nucléation des plagioclases varient de 3.8E-03 à 1.5E-02 mm-2, tandis que celles de croissance variant peu, sont de l’ordre de 10-6 mm.s-1. La modélisation de la cristallisation nous a permis de i) mieux contraindre l’énergie d’interface plagioclase/haplotonalite, en déterminant des paramètres de forme et de rugosité du nucleus à appliquer à la théorie classique de la nucléation ii) démontrer que la vitesse de croissance des plagioclases est limitée soit par la diffusion, soit par les mécanismes à l’interface iii) et qu’une croissance des plagioclases par diffusion n’est pas systématiquement contrôlée par l’élément diffusant le plus lentement, et qu’elle dépend étroitement de la nucléation. Aussi, nous avons révélé l’importance de la composition du liquide silicaté sur les cinétiques de cristallisation, en particulier l’effet inhibiteur sur la nucléation de l’ajout de quelques ppm d’arsenic dans le liquide silicaté.

  • Titre traduit

    Decompression induced plagioclase crystallization in deferenciated magmas


  • Résumé

    Magma ascension rate in volcanic conduit plays an important role in determining eruption dynamics of arc volcanoes (effusive or explosive). Investigating the kinetics of processes such as decompression induced crystallization may provide crucial information on the modality of magma ascent. We performed decompressioninduced isobaric crystallization-timed experiments starting with Mt Pelée rhyolitic glass composition and its simplified analogue (haplotonalite) to study plagioclase crystallization (nucleation and growth) kinetics. Our results reveal that a melt depressurized from 200 MPa to a given final pressure from 160 to 25 MPa according to different decompression rates (ΔP/Δt = 1200, 150 and 30 MPa/hr), shows various modalities of crystallization of plagioclases. In particular, the slower the decompression, the higher the numerical density. The crystallization modeling i) provides new constraints on the plagioclase/haplotonalite interfacial energy that controls the nucleation kinetics, by determining shape and roughness parameters ii) reveal that plagioclase crystallization is either controlled by diffusion or crystal/melt interfacial mechanisms, iii) demonstrates that plagioclase diffusion-controlled growth rate is not systematically controlled by the slowest diffusion element, and it closely depends on nucleation. Also, we revealed the importance of melt composition on crystallization kinetics, in particular the inhibitive effect on nucleation of trace arsenic addition in the melt.


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