Investigations of high pressure phase diagrams of MgO-SiO2 systems with laser shock compression

par Riccardo Maria Bolis

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alessandra Benuzzi-Mounaix et de Alessandra Ravasio.

Soutenue le 12-10-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (Établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était Patrick Renaudin.

Le jury était composé de Alessandra Benuzzi-Mounaix, Alessandra Ravasio, Patrick Audebert, Thibaut de Rességuier, Guillaume Fiquet.

Les rapporteurs étaient Laurent Berthe, Tom Boehly.

  • Titre traduit

    Etude des diagrammes de phase des systèmes MgO-SiO2 à hautes pressions générées par chocs laser


  • Résumé

    La découverte récente d’un grand nombre d’exoplanètes et en particulier des planètes potentiellement habitables suscite une grande fascination. Pour modéliser les intérieurs de ces planètes, il est crucial de connaître avec précision les propriétés physiques et les équations d’état des composants planétaires. Ces matériaux se trouvent à des conditions de pressions et températures extrêmes ( 1-100 Mbar, 10^3-10^4 K), correspondantes à celles de la matière dense et tiède ou Warm Dense Matter (WDM). La description théorique de cette matière a progressé grâce aux calculs ab initio, mais reste complexe. Les données expérimentales sont fondamentales dans ce contexte.Ce projet de thèse porte sur l’étude expérimentale de trois matériaux importants pour la géophysique, le MgO, MgSiO3 et Mg2SiO4 dans le domaine ≈ 0.5-10 Mbar. Ces trois matériaux en fait sont les pôles purs magnésiens du (Fe, Mg)SiO3 and (Fe, Mg)2SiO4 qui sont parmi les composantes plus abondantes du manteau terrestre et très probablement des manteaux du Super-Terres et des noyaux des planètes géantes. Pour amener ces matériaux aux conditions typiques des intérieurs planétaires on a utilisé la technique de chocs laser. En particulier, nous avons réalisé trois campagnes expérimentales sur des grandes installations: LULI2000 (Ecole Polytechnique, France), GEKKOXII (Osaka University, Japan), MEC à LCLS (SLAC, USA). Pour chaque campagne, on a utilisé une technique différente. Sur LULI2000 et GEKKOXII nous avons étudié les propriétés de MgO, MgSiO3 et Mg2SiO4 liquide et la fusion avec des chocs décroissants couplés avec des diagnostiques optiques. Sur LULI2000 on a étudié les propriétés électroniques et structurelles du MgO liquide avec la spectroscopie XANES. Sur MEC, on a conduit une expérience de diffraction X pour déterminer les changements structuraux induits par des chocs stationnaires dans le régime solide sur le MgSiO3 et le Mg2SiO4. Dans leur ensemble, les résultats de ces expériences impliquent une révision des diagrammes de phase des matériaux étudiés. En particulier, on a déterminé un nouveau point de fusion pour le MgO (à 470 ± 40 GPa et 9860 ± 810 K), on a résolu une controverse sur la présence d’une transformation liquide-liquide dans le diagramme de phase du MgSiO3 (qui concernait une région autour de ~ 400 GPa sur la Hugoniot) et on a obtenu pour la première fois des évidences de la amorphisation de la Forsterite (Mg2SiO4 cristal) sous choc (à ~ 50 GPa sur la Hugoniot). En plus on a obtenu des informations sur la réflectivité (liée à la conductivité) pour le trois matériaux, et les données de spectroscopie XANES ont permis de comprendre le mécanisme de fermeture du gap (métallisation) du MgO sous effet de la température.


  • Résumé

    Two decades of exoplanet discoveries brought the physics of planetary interiors among the topics of broad and current interests. To advance in this field, one of the key ingredient is the knowledge of the equation of states and physical properties of planetary constituents. At the extreme conditions of planetary interiors ( 1-100 Mbar, 10^3-10^4 K), matter lies in the Warm Dense Matter (WDM) regime and theoretical descriptions are not trivial. Important progress have been done with ab-initio calculations based on differential functional theories, but such calculations need to be validated by experiments.In this thesis, we experimentally characterized phase diagrams and physical properties of MgO, MgSiO3 and Mg2SiO4 at conditions relevant for planetary science (0.5-10 Mbar). The studied compounds are the Mg end members of (Fe, Mg)SiO3 and (Fe, Mg)2SiO4 that are among the most abundant components of Earth’s mantle and are also thought to be abundant in Super-Earth’s mantle and giant planet cores. To bring these materials to planetary interior conditions we performed laser shock compression experiments at three high power laser facilities: LULI2000 (France), GEKKOXII (Japan), MEC at LCLS(USA). At LULI2000 and GEKKOXII we investigated the liquid properties and melting of MgO, MgSiO3 and Mg2SiO4 using decaying shocks coupled to visible diagnostics. At LULI2000 we studied with XANES spectroscopy MgO in the WDM regime highlighting its metallisation mechanism and structural properties in the liquid phase. Finally, at the MEC end station of LCLS, we used X-ray diffraction to measure shock induced structural changes on MgSiO3 and Mg2SiO4 in the solid region of their phase diagrams. Altogether these works, obtained with different diagnostics, imply a revision of the phase diagrams of the studied compounds. In particular we determined a new experimental melting point for MgO (at 470 ± 40 GPa and 9860 ± 810 K), we ruled out the occurrence of an MgSiO3 liquid-liquid transition (supposed to occur at ~ 400 GPa along the Hugoniot) and we evidenced for the first time the occurrence of an amorphous phase along the Forsterite (Mg2SiO4 crystal) Hugoniot (at ~50 GPa).


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