Unraveling the grain size evolution in the Earth’s upper mantle : experimental observations and theoretical modeling

par Leïla Hashim

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l’atmosphère

Sous la direction de Bruno Scaillet et de Fabrice Gaillard.

Le président du jury était Jacques Poirier.

Le jury était composé de Fabrice Gaillard, Jacques Poirier, Patrick Cordier, Ben Holtzman, Sylvie Demouchy, Holger Stünitz, Emmanuel Gardés.

Les rapporteurs étaient Patrick Cordier, Ben Holtzman.

  • Titre traduit

    Observations expérimentales et modélisation de la croissance de grains d’olivine dans le manteau supérieur


  • Résumé

    La taille de grains dans le manteau terrestre a des implications cruciales sur les processus à grande échelle, telles que la propagation des ondes sismiques, la perméabilité et la rhéologie des roches. Cependant, la taille de grains évolue constamment avec le temps, car la croissance de grains statique induit une augmentation de la taille moyenne tandis que la recristallisation dynamique contribue à sa décroissance. La croissance d’olivine au sein d’agrégats mantelliques dans un milieu inter-granulaire sec, en présence de liquide magmatique ou dans des conditions sursaturées en eau a été modélisée dans le cadre de cette thèse. En s’appuyant sur la théorie de croissance cristalline ainsi que sur des expériences à 1-atmosphère et hautes températures précédemment publiées, la loi de croissance d’olivine sèche a été déterminée. Le facteur limitant est, dans ce cas, la diffusion du silicium aux joints de grains à travers une épaisseur effective de 30 nm. La croissance d’agrégats en présence de liquide magmatique et fluide aqueux a été contrainte par de nouvelles expériences haute pression/haute température. Ces données indiquent que les taux de croissance sont significativement plus importants que dans des conditions sèches et sont limités par des réactions aux interfaces cristal/liquide. Nous proposons une loi de croissance générale régulée par une combinaison de joints de grains secs et mouillés, grâce aux paramètres de contiguité et de mouillabilité. Cette loi de croissance unifiée est fondamentale pour extrapoler les tailles de grains expérimentales à des échelles de temps, des profondeurs et des quantités de liquides relatives au manteau supérieur.


  • Résumé

    Grain size in the Earth’s mantle is a fundamental parameter that has crucial implications on large-scale processes, such as seismic wave propagation, the permeability and the rheology of rocks. However, grain size is constantly evolving with time, where static grain growth implies an increase of the average grain size whereas dynamic recrystallization contributes to its decrease. Static grain growth of olivine-rich mantle aggregates in an intergranular medium being dry, melt-bearing and water-oversaturated has been here modeled. By using the appropriate theoretical background, the dry olivine grain growth law has been established from previously published experimental grain growth data at 1-atmosphere and high-temperature conditions. Grain growth rates for these samples are limited by silicon diffusion at grain boundaries through an effective width of 30 nm. Grain growth for melt- and water-bearing aggregates was, however, constrained by new high-pressure and high-temperature experiments. This data indicates that grain growth rates for liquid-bearing samples are significantly faster than for dry samples and are limited by precipitation reactions at the crystal/liquid interface rather by diffusion through the liquid phase. We propose a general grain growth law, which takes into account dry grain boundaries as well as wetted grain-grain interfaces, through the contiguity and wetness parameters. This unified law is fundamental to extrapolate experimental grain sizes to time scales, depths and liquid contents that are relevant of the upper mantle.

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