Séminaire / Seminar (Site Buffon) - Diffusion des gaz nobles dans les polymorphes de la silice dans les conditions du manteau terrestre - Sarah Figowy

Jeudi 11 janvier 2024 à 11 h

IMPMC, Salle des élèves, 2^e étage, bâtiment 52 (« 20 allée des crapauds »), 61 rue Buffon, Paris 5^e

Sarah FIGOWY

(Centre d’Evolution et Dynamique de la Terre, Université d’Oslo)

Comprendre comment diffusent les gaz nobles dans les minéraux est crucial pour de nombreuses études géochimiques (e.g. thermochronologie, cycle des volatils). SiO₂ est une phase majeure de la croûte et du manteau, représentant jusqu’à 20% d’une composition de type MORB (Trønnes, 2010). Sa composition chimique simple rend sa modélisation plus aisée que celle d’autres phases silicatées complexes, faisant de SiO₂ un proxy idéal pour l’étude de la diffusion des gaz nobles depuis les conditions de la croûte terrestre jusqu’à la frontière entre le manteau et le noyau.

Ce travail porte sur la quantification des coefficients de diffusion de He, Ne, Ar et Kr dans cinq polymorphes de la silice (quartz, coésite à coordinence tétraédrique ; stishovite, type CaCl₂, type PbO₂ à coordinence octaédrique). Les coefficients de diffusion sont calculés via de longues simulations de dynamique moléculaire ab initio (logiciel VASP). Ils sont extraits à partir des déplacements quadratiques moyens (MSD, mean square displacements). Les énergies d’activation des évènements dits « rares » (e.g. la diffusion de He et Ne dans la silice de type PbO₂, ou seifertite) sont estimés à l’aide de la méthode NEB (Nudged Elastic Band). 

Les résultats montrent que les vitesses de diffusion et les trajectoires des gaz nobles dépendent étroitement de la structure de SiO₂, de la nature du gaz rare, de la température et de la pression. La diffusion est caractérisée par une succession de sauts entre les sites cristallographiques interstitiels. Les simulations sont suffisamment longues pour avoir une bonne statistique. Dans le cas de He, plus la structure est dense, plus la diffusion est lente, avec une différence allant jusqu’à deux ordres de grandeur entre les coefficients de diffusion dans le quartz et la seifertite. Les coefficients de diffusion diminuent lorsque la taille du gaz noble augmente dans les polymorphes à coordinence tétraédrique. Cependant, la diffusion du Ne est plus rapide que celle de He dans les phases denses, ce qui est également confirmé par les modélisations NEB. A composition fixe, le transport de He et Ne est très dépendant de l’environnement local et de la densité de la structure. Depuis le noyau jusqu’à la croûte terrestre, le ratio entre les gaz nobles non-radiogéniques est influencé par les transitions de phase de SiO₂. En raison de l’abondance de ces phases, ce phénomène est loin d’être négligeable.

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