Development of kinetic, electric and acoustic measurements for the study of mineralogical reactions at high pressure and temperature : applications to the micro-seismicity induced and the role of water on reaction kinetics

Développement de mesures cinétiques, électriques et acoustiques pour l'étude de réactions minéralogiques sous pression et température : applications à la micro-sismicite induite et au rôle de l'eau sur les cinétiques chimiques

• Auteur / Autrice : Julien Gasc
• Direction : Fabrice Brunet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, Océan, Espace. Sciences de la Terre
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches -- Déformation

Serpentinite

Émission acoustique

Métamorphisme (géologie)

Hautes pressions

Mots clés libres

Multi-enclume

Résumé

Les réactions métamorphiques sont des transformations qui interviennent à l’état solide dans les roches lorsqu’elles sont soumises à des changements de conditions de pression et de température. Dans un premier temps, grâce à des données de diffraction de rayons X et des mesures de conductivité électrique, in situ, lors d’expériences à 1,8 GPa, nous avons montré que la présence de seulement 1% en masse d’eau dans le milieu intergranulaire accroissait les propriétés de transport et donc les cinétiques réactionnelles de plusieurs ordres de grandeur. Nous avons quantifié ces effets sous la forme d’une loi d’Arrhénius, permettant de calculer un coefficient de diffusion en fonction de la température et de l’activité d’eau. Ces résultats ont des implications importantes concernant la modélisation des réactions métamorphiques de haute pression – basse température. Dans un deuxième temps, nous avons étudié plusieurs réactions, dont la déshydratation de la serpentinite, en couplant l’acquisition de données de diffraction de rayons X et l’enregistrement du signal acoustique provenant de l’échantillon durant des expériences en presse multi-enclumes. Grâce à l’enregistrement d’émissions acoustiques durant la déformation à température ambiante, nous avons mis en évidence la fracturation des échantillons et ainsi validé le fonctionnement du dispositif. En revanche, nous n’avons enregistré aucune émission acoustique durant les réactions. Nous souhaitons donc rappeler ici que les relations entre déshydratation minérale et sismicité ne sont pas aussi évidentes que ce qui est communément admis et que ces couplages nécessitent notamment une contrainte différentielle élevée.

Metamorphic reactions are solid state transformations which affect rocks experiencing changing pressure and temperature conditions. First, we have used in situ electrical conductivity measurements as well as X-ray diffraction techniques to study the effect of water content on transport properties at the grain boundaries during high pressure experiments (1,8 GPa). We showed that the diffusivity is enhanced by many orders of magnitude by the addition of only 1 wt. % of water within the samples. Then we propose an Arrhenius law that allows calculating a diffusion coefficient as a function of both temperature and water activity. These results may have strong implications concerning geodynamical and petrological modelling of high pressure–low temperature metamorphic reactions. Secondly, we have studied many metamorphic reactions (including serpentinite dehydration) by coupling in situ X-ray diffraction and acoustic emissions monitoring techniques during multi-anvil experiments. The recording of thousands of acoustic emissions during the cold compression stage of our experiments allowed us to evidence brittle fracturing of the samples. On the other hand, no acoustic emissions were collected during dehydration reactions as proposed by former studies. We show here that the long viewed coupling between dehydration reactions, deformation and seismicity are not as straightforward as one could expect and require high differential stress levels.