Contrôles thermodynamiques et cinétiques des états d'oxydation du fer dans les liquides silicatés magmatiques : Expérimentation, Modélisation, Applications et simulations.
Résumé
Terrestrial magmas display a large range of redox conditions, which reflect several interplays taking place at various steps of magmas evolution. The iron redox ratio of these magmas is commonly used as an indicator of the redox conditions (fO2). In order to improve the interpretation of magmas redox signatures, the behavior of iron in silicate melts is constrained through several experimental and theoretical approaches:
1- Modeling of redox equilibria in silicate liquids:
Ø Analyze of the bibliographic data base
Ø The data base is extended toward oxidized and hydrated systems through appropriate experiments
Ø Modeling of the thermodynamic properties of ferrous and ferric iron
From a practical point of view, the thermodynamic model we propose allows to estimate pre-eruptive T or fO2 from natural magnetite-glass assemblages. Moreover, Fe3+/Fe2+ equilibria can be calculated for a wide range of compositions and conditions. Some applications and the precision of this method are detailed.
2- Constraints on the kinetics of iron oxidation-reduction in hydrous melts:
Ø Experimental studies
Ø Modeling
Different mechanisms of iron-hydrogen redox interactions are identified. As results, we suggested that H2 exchanges seem not able to significantly modify the redox signature of a magma stored in the crust. Rather, internal equilibria as magnetite-liquid are most likely to control the T-fO2 evolution of such magma. In contrast, simulations of percolation and H exchange between a small volume of basalt and a peridotite suggested an increase of fO2 sufficient to explain the redox features of calc-alcaline suites.
1- Modeling of redox equilibria in silicate liquids:
Ø Analyze of the bibliographic data base
Ø The data base is extended toward oxidized and hydrated systems through appropriate experiments
Ø Modeling of the thermodynamic properties of ferrous and ferric iron
From a practical point of view, the thermodynamic model we propose allows to estimate pre-eruptive T or fO2 from natural magnetite-glass assemblages. Moreover, Fe3+/Fe2+ equilibria can be calculated for a wide range of compositions and conditions. Some applications and the precision of this method are detailed.
2- Constraints on the kinetics of iron oxidation-reduction in hydrous melts:
Ø Experimental studies
Ø Modeling
Different mechanisms of iron-hydrogen redox interactions are identified. As results, we suggested that H2 exchanges seem not able to significantly modify the redox signature of a magma stored in the crust. Rather, internal equilibria as magnetite-liquid are most likely to control the T-fO2 evolution of such magma. In contrast, simulations of percolation and H exchange between a small volume of basalt and a peridotite suggested an increase of fO2 sufficient to explain the redox features of calc-alcaline suites.
Les magmas terrestres présentent un large spectre de conditions redox qui reflète de nombreux processus prenant place depuis la genèse jusque la solidification de ces magmas. Les états d'oxydation du fer dans les magmas sont utilisés comme témoins de ces conditions redox usuellement reliées à la fugacité d'oxygène (fO2). Pour améliorer l'interprétation des signatures redox des magmas, nous avons développé des aspects théoriques et expérimentaux appliqués au comportement du fer dans les liquides silicatés :
1- Modélisation des équilibres redox dans les liquides silicatés :
Ø Analyse de la base de données bibliographique
Ø Etude expérimentale et extension de la base de données vers des systèmes hydratés et oxydés
Ø Modélisation des propriétés thermodynamiques du fer ferreux et ferrique
En retombés pratiques, le modèle thermodynamique que nous proposons peut être utilisé directement à partir d'assemblages naturels verre-magnétite comme géothermomètre ou géobaromètre à oxygène. Aussi, les équilibres Fe3+/Fe2+ peuvent être calculés pour une large gamme de compositions et de conditions. Des applications mettant en évidence la précision de la méthode sont exposées.
2- Cinétiques d'oxydation-reduction du fer dans les liquides silicatés hydratés :
Ø Etudes expérimentales
Ø Modélisation
Différents mécanismes redox sont mis en évidence. Il en ressort que la mobilité d'espèces volatiles telles que H2 ne semble pas un facteur exerçant un contrôle significatif sur l'évolution redox d'un magma transitant dans la croûte. Des équilibres redox internes tels que les équilibres magnétite-liquide semblent être les facteurs prédominants. En revanche, en régime de percolation d'un basalte hydraté dans une péridotite, des échanges redox d'H2 conduisent à une oxydation significative du magma pouvant expliquer le caractère oxydé des laves d'arc.
1- Modélisation des équilibres redox dans les liquides silicatés :
Ø Analyse de la base de données bibliographique
Ø Etude expérimentale et extension de la base de données vers des systèmes hydratés et oxydés
Ø Modélisation des propriétés thermodynamiques du fer ferreux et ferrique
En retombés pratiques, le modèle thermodynamique que nous proposons peut être utilisé directement à partir d'assemblages naturels verre-magnétite comme géothermomètre ou géobaromètre à oxygène. Aussi, les équilibres Fe3+/Fe2+ peuvent être calculés pour une large gamme de compositions et de conditions. Des applications mettant en évidence la précision de la méthode sont exposées.
2- Cinétiques d'oxydation-reduction du fer dans les liquides silicatés hydratés :
Ø Etudes expérimentales
Ø Modélisation
Différents mécanismes redox sont mis en évidence. Il en ressort que la mobilité d'espèces volatiles telles que H2 ne semble pas un facteur exerçant un contrôle significatif sur l'évolution redox d'un magma transitant dans la croûte. Des équilibres redox internes tels que les équilibres magnétite-liquide semblent être les facteurs prédominants. En revanche, en régime de percolation d'un basalte hydraté dans une péridotite, des échanges redox d'H2 conduisent à une oxydation significative du magma pouvant expliquer le caractère oxydé des laves d'arc.