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Organisation du manuscrit
Ce manuscrit est composé de sept chapitres, dont la numérotation est faite en chiffre romain (I, II, III, ….). Chacun de ces chapitres est subdivisé en plusieurs parties, dont la numérotation est définie par le numéro du chapitre et un numéro en chiffre arabe (1, 2, 3, …). La numérotation dans ces parties obéit à la hiérarchie suivante :
Les figures et tables sont numérotées selon le format suivant : « I-1 », où le premier chiffre (romain) indique le numéro du chapitre, et le deuxième chiffre (arabe) indique la position de la figure (ou de la table) par rapport aux autres figures du même chapitre.
Les équations sont numérotées par un chiffre arabe les unes après les autres.
De manière globale, les composants liquides et fluides décrits dans les équilibres réactionnels se distinguent par les symboles (l) et (fl), respectivement.
Organisation des chapitres
Chacun des chapitres II, III, IV, V et VI commence par un paragraphe qui résume succinctement le contenu de chaque partie et met en avant les principaux points abordés.
Le chapitre II est une introduction globale à cette présente étude. Des notions générales sont rappelées quant à la structuration de la Terre et la minéralogie du manteau supérieur terrestre, enveloppe terrestre au cœur de cette étude. Les effets primordiaux de l‘eau et du CO2 sur la fusion du manteau sont ici reportés, comme une conséquence notamment de leur mode de stockage dans celui-ci.
Le chapitre III représente une synthèse globale de la composition des liquides en présence de CO2 et H2O à travers la large base de données expérimentales existante. C‘est ainsi l‘occasion de présenter cette importante base de données, en construction depuis maintenant plus de quarante ans, en présentant les principales évolutions de la composition du liquide comme une fonction de la pression, de la température, de la complexité compositionnelle du système, mais aussi de l‘équilibre qu‘il entretient avec une ou des autres phases cristallines, fluides, voire même liquides dans les cas d‘immiscibilité.
Le chapitre IV met en place la base thermodynamique utile à cette étude, en rappelant les concepts fondamentaux, en introduisant les paramètres et potentiels principaux et en définissant les formalismes indispensables à l‘étude thermodynamique des équilibres de phases pour les liquides magmatiques. Un état de l‘art sur les modèles thermodynamiques consacrés au liquide magmatique est également fait, où divers aspects tels que les formalismes utilisés et la philosophie suivie pour la calibration de ces modèles sont présentés. Un point important est notamment mis en avant : la prise en compte et l‘utilisation des incertitudes aussi bien thermodynamiques que expérimentales, parfois trop négligées dans ces modèles.
Le chapitre V est le cœur de cette étude, dans lequel un modèle permettant de calculer l‘activité de la silice dans le liquide magmatique est décrit. Ce modèle thermodynamique est le premier travail de modélisation à ce jour à avoir été réalisé pour comprendre, décrire et quantifier la transition entre des liquides carbonatitiques et des liquides silicatés, évaluant également l‘effet de l‘eau et des alcalins. Cette partie correspond à un article publié dans Chemical Geology (Massuyeau et al. 2015), et contrairement au reste du manuscrit, les figures et tables principales de l‘article sont placées juste après la section « References ». Des premières applications sont présentées à la fin de cet article. La fin du chapitre est consacrée à la mise en place d‘un modèle décrivant plus précisément les propriétés thermodynamiques du liquide en considérant un système SiO2-Al2O3-MgO-CaO-CO2, et dont l‘un des efforts principaux est la gestion des incertitudes expérimentales et thermodynamiques. Des résultats préliminaires sont montrés et discutés.
Le chapitre VI démontre l‘intérêt et la force du modèle pour le calcul de l‘activité de SiO2 dans le liquide magmatique en présence de CO2-H2O. En plus des applications déjà illustrées dans Massuyeau et al. (2015), l‘emploi du modèle permet de montrer la relation entre les kimberlites de Groupe I retrouvés au sein des cratons, et les OIB échantillonnés au niveau des points chauds. Ces deux types de liquide magmatique sont liés à la remontée de panaches mantelliques très profonds, et leur variation chimique est liée à une différence d‘épaisseur de la lithosphère.
Le chapitre VII présente des conclusions générales sur l‘ensemble de ce chapitre, et donne des pistes quant à l‘évolution future de ce travail.
Bibliographie, liste de figures, liste de tables, annexes
La bibliographie est en fin de manuscrit et suit le chapitre VII. Elle est présentée de façon classique avec dans l‘ordre les noms des auteurs, l‘année de la publication, le titre de la publication, le nom de la revue pour les articles ou l‘université d‘accueil pour les thèses.
Une liste des figures paraissant dans le manuscrit, ainsi qu‘une une liste des tables, suivent la bibliographie.
Trois annexes viennent terminer cet ensemble.
L‘annexe n°1 est un tableau récapitulant les principaux symboles utilisés dans le manuscrit. L‘annexe n°2 présente la base de données expérimentales utilisée dans les modélisations thermodynamiques, distinguant notamment les données dans des systèmes simplifiés (CMS-CMAS) de celles dans des systèmes complexes, voire quasi-naturels.
L‘annexe n°3 est un article récemment soumis dans la revue Nature, dans lequel le modèle d‘activité de la silice dans le liquide magmatique publié dans Massuyeau et al. (2015) est utilisé et combiné à un modèle bi-phasique. Cette étude permet de prédire la ségrégation et l‘accumulation de couches de liquides magmatiques, riches en CO2-H2O, au niveau de la LAB et ainsi d‘expliquer les discontinuités géophysiques qui y sont observées. Sa référence actuelle est :
Richard, G., Massuyeau, M., Gaillard, F. Melt-rich layers triggered by mantle convection and the sharpness of the Lithosphere-Asthenosphere Boundary. Submitted to Nature.
Table des matières
I. Avant-propos
I.1. Organisation du manuscrit
I.1.1
I.1.1.1
I.2. Organisation des chapitres
I.3. Bibliographie, liste de figures, liste de tables, annexes
II. Introduction
II.1. Eau et carbone dans le manteau supérieur terrestre
II.2. Le partage de l‘eau entre le liquide magmatique, les minéraux nominalement anhydres
les minéraux hydratés
II.3. Le CO2 dans le manteau supérieur terrestre
II.4. Implications de la présence de CO2-H2O dans le manteau supérieur terrestre : objectifs
cette étude
III. Etat de l’art sur la fusion partielle du manteau en présence de CO2
III.1. Solubilité du carbone dans les liquides magmatiques saturés en CO2
III.2. Composition des liquides magmatiques en coexistence avec olivine-orthopyroxène(-clinopyroxène)
III.3. Immiscibilité entre les liquides carbonatés et les liquides silicatés
III.4. Coexistence graphite-diamant avec un liquide carbonaté
IV. Modélisation thermodynamique des équilibres de phases pour les liquides magmatiques
IV.1. Concepts généraux de thermodynamique
IV.1.1. Système et environnement
IV.1.2. Phases et grandeurs thermodynamiques
IV.1.3. Etats, transformations et équilibres
IV.1.4. Composition chimique et composants d‘un système
IV.1.5. Potentiels chimiques
IV.1.6. Relation de Gibbs-Duhem
IV.1.7. Energie libre de Gibbs
IV.1.8. Mesure relative des potentiels thermodynamiques
IV.1.9. Etat de référence
IV.1.10. Equilibre chimique
IV.1.11. Propriétés d‘excès
IV.1.12. Energie libre d‘excès GXS et coefficient d‘activité γ
IV.1.13. Les données d‘immiscibilité : de fortes contraintes sur les propriétés thermodynamiques d‘excès
IV.2. Etat de l’art sur les modèles thermodynamiques des propriétés d’excès des liquides magmatiques
IV.3. Gestion et utilisation des incertitudes expérimentales et thermodynamiques
V. Modélisation thermodynamique de la fusion partielle en présence de CO2-H2O
V.1. Choix des composants pour décrire l‘espace compositionnel du liquide
V.2. Un modèle pour l‘activité de SiO2 dans le liquide magmatique le long du joint compositionnel carbonatite-kimberlite-mellilitite-basanite
V.2.1. Abstract
V.2.2. Introduction
V.2.3. Modelling
V.2.3.1. Experimental database
V.2.3.2. Calculation of silica activities from thermodynamic database
V.2.3.3. Model for the activity coefficient γSiO2(l)
V.2.3.4. Uncertainties, bias and strength of the model:
V.2.3.5. Optimization
V.2.4. Discussion
V.2.4.1. Observed versus predicted effect of pressure, temperature and bulk composition on aSiO2 in magmatic liquids
V.2.4.2. Evolution of the melt along a ridge adiabat
V.2.4.3. Evolution of the melt along a cratonic geotherm
V.2.5. Conclusion
Acknowledgements
References
Tables
Figures
Supplementary information
3. En direction d‘un modèle multi-composants pour décrire pleinement le système
CMAS-CO2-H2O (THERMantle)
V.3.1. Philosophie
V.3.2. Calcul des activités de Al2O3-MgO-CaO-CO2 à partir de la base de données thermodynamiques
V.3.2.1. Equilibres cristal-liquide
V.3.2.2. Equilibre redox
V.3.2.3. Equilibre fluide-liquide
V.3.2.4. Equilibres liquide-liquide (immiscibilité)
V.3.3. Procédure d‘optimisation
V.3.3.1. Incertitudes sur les données expérimentales
V.3.3.2. Incertitudes sur les paramètres de la base de données thermodynamiques
V.3.3.3. Optimisation des paramètres dérivés en utilisant les incertitudes
V.3.4. Description de la calibration du modèle
V.3.5. Résultats préliminaires
VI. Application : relation entre kimberlites de Groupe I et OIB
VI.1. Les kimberlites
VI.2. Les kimberlites et les OIB : le rôle des plumes asthénosphériques
VI.2.1. Introduction
VI.2.2. Méthodes
VI.2.3. Résultats
VI.2.4. Discussion
VI.2.5. Conclusion
VII. Conclusions générales & Perspectives
Bibliographie
Liste des figures
Liste des tables
Annexes
