Hydrogen diffusion in NAMs : andradite garnet and zircon

par Peipei Zhang

Thèse de doctorat en Mécanique, Energétique, Science des matériaux

Sous la direction de Jannick Ingrin et de Qunke Xia.

  • Titre traduit

    Diffusion d’hydrogène dans les MNAs : grenat andradite et zircon


  • Résumé

    Cette thèse présente les résultats d’une étude de la mobilité de l’hydrogène dans l’andradite entre 400 et 700°C et dans le zircon entre 800 et 1100°C. Contrairement à ce qui est généralement observé dans ce type d’expériences, il n’a pas été possible de remplacer par du deutérium tous les hydrogènes présent dans la structure cristalline sous la forme de défauts ponctuels. A la fin de l’échange 15% à 35% des H dans l’andradite et 25% à 40% des H dans le zircon restent présent. Cependant, un état d’équilibre étant atteint, nous avons pu déterminer les lois de diffusion relative à ces échanges. L’énergie d’activation est comparable à l’énergie d’activation de diffusion de l’hydrogène dans le grossulaire (102 kJ/mol), mais avec une diffusion deux ordres de grandeur plus rapide. Nos résultats montrent que la composition joue un rôle majeur sur la diffusion d’hydrogène dans la série grossulaire-andradite et celle-ci doit impérativement être prise en compte dans toute interprétation des données de δD dans les grenats. Dans le zircon, la diffusion de l’hydrogène est anisotrope, avec une diffusion selon [001] légèrement plus rapide que celle selon [100] et [010]. Le zircon est le MNA qui a la diffusion d’hydrogène la plus lente et qui présente la plus forte énergie d’activation. Lors des expériences d’échange H-D le zircon incorpore également du deutérium parallèlement à la réduction de l’uranium présent dans la structure en suivant la réaction d’hydratation U5+ + OH- = U4+ + O2- + 1/2H2. La cinétique d’incorporation associée est très légèrement plus lente que la cinétique d’échange H-D, suggérant que l’incorporation est ici limitée par la mobilité de l’hydrogène.


  • Résumé

    The hydrogen mobilities in andradite and zircon were investigated by performing H-D exchange experiments under ambient pressure in a horizontal furnace flushed with a gas mixture of Ar/D2(10%). The temperature range investigated was 400˚C-700˚C for andradite and 800˚C-1100˚C for zircon. At contrary to the same type of experiments performed in NAMs, it was not possible to replace all hydrogen atoms in the structure by deuterium, 15% to 35% for andradite and 25% to 40% for zircon of OH remaining after completion of the exchange. However, a steady-state equilibrium was reached at the end of the experiments and it was possible to determine the diffusion law of the exchange process. The activation energy is similar to those of hydrogen diffusion in grossular, but the diffusivity is more than 2 orders of magnitude faster. Our results demonstrate that, composition has a major effect on H diffusion and it must be considered in any discussion of δD signatures in garnets. In zircon, hydrogen diffusion is anisotropic, slightly faster along [001] than along [100] and [010]. H diffusion in zircon has much higher activation energy and slower diffusivity than other NAMs. During H-D exchange zircon incorporates also deuterium. For the first time, the hydration reaction U5+ + OH- = U4+ + O2- + 1/2H2, involving uranium reduction is observed. The kinetics of deuterium incorporation is just slightly slower than hydrogen diffusion, suggesting that the reaction is limited by hydrogen diffusion. It confirms that hydrogen isotopic memory of zircon is higher than other NAMs. Zircons will be moderately retentive of H signatures at mid-crustal metamorphic temperatures.


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