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

par Lei?la Hashim

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l?atmosph?re

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 St?nitz, Emmanuel Gard?s.

Les rapporteurs étaient Patrick Cordier, Ben Holtzman.

  • Titre traduit

    Observations exp?rimentales et mod?lisation de la croissance de grains d?olivine dans le manteau sup?rieur


  • Résumé

    La taille de grains dans le manteau terrestre a des implications cruciales sur les processus ? grande ?chelle, telles que la propagation des ondes sismiques, la perm?abilit? et la rh?ologie des roches. Cependant, la taille de grains ?volue constamment avec le temps, car la croissance de grains statique induit une augmentation de la taille moyenne tandis que la recristallisation dynamique contribue ? sa d?croissance. La croissance d?olivine au sein d?agr?gats mantelliques dans un milieu inter-granulaire sec, en pr?sence de liquide magmatique ou dans des conditions sursatur?es en eau a ?t? mod?lis?e dans le cadre de cette th?se. En s?appuyant sur la th?orie de croissance cristalline ainsi que sur des exp?riences ? 1-atmosph?re et hautes temp?ratures pr?c?demment publi?es, la loi de croissance d?olivine s?che a ?t? d?termin?e. Le facteur limitant est, dans ce cas, la diffusion du silicium aux joints de grains ? travers une ?paisseur effective de 30 nm. La croissance d?agr?gats en pr?sence de liquide magmatique et fluide aqueux a ?t? contrainte par de nouvelles exp?riences haute pression/haute temp?rature. Ces donn?es indiquent que les taux de croissance sont significativement plus importants que dans des conditions s?ches et sont limit?s par des r?actions aux interfaces cristal/liquide. Nous proposons une loi de croissance g?n?rale r?gul?e par une combinaison de joints de grains secs et mouill?s, gr?ce aux param?tres de contiguit? et de mouillabilit?. Cette loi de croissance unifi?e est fondamentale pour extrapoler les tailles de grains exp?rimentales ? des ?chelles de temps, des profondeurs et des quantit?s de liquides relatives au manteau sup?rieur.


  • 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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