Solubilité du sodium dans les silicates fondus, Sodium solubility in silicate melts

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Sous la direction de Guy Libourel, Etienne Deloule
Thèse soutenue le 04 septembre 2009: INPL
Les alcalins, généralement lithophiles à basse température, deviennent volatils à haute température et/ou sous des conditions réductrices. Il existe peu de données expérimentales sur les relations activité-composition dans les silicates fondus et aucun modèle thermodynamique ne permet de prédire leur comportement dans les liquides silicatés. Pour acquérir une base de données cohérente sur ces relations, nous avons développé un nouveau système expérimental permettant d'imposer et de contrôler, à haute température, une pression partielle de sodium sous des conditions d'oxydoréduction fixées. Une cellule thermochimique originale, simple de mise en œuvre et efficace a été conçue pour contraindre l’ensemble de ces paramètres thermodynamiques. Les résultats de cette étude montrent que les processus de condensation et de volatilisation du sodium dans les liquides silicatés du système CaO-MgO-Al2O3-SiO2 peuvent être décrits par une équation simple de type : Na(gaz) +1/2 O2(gaz) = Na2O(liq). Les données obtenues à l'équilibre sur des liquides de compositions différentes ont permis de dériver un modèle permettant de prédire la solubilité et les coefficients d’activité (aNa2O et ?Na2O) dans un liquide silicaté du système CaO-MgO-Al2O3-SiO2, à différentes températures et différentes PNa, en fonction de la composition de ce dernier. Ce modèle est basé sur la détermination de la basicité optique du liquide sans sodium, c'est-à-dire suivant l’état de polymérisation du liquide et suivant ses interactions acide-base entre oxydes. Par ailleurs, ces travaux ont permis la détermination d’un nouveau type de diagramme de phase à isoPNa. Enfin cette étude a de nombreuses applications en cosmochimie, sidérurgie et magmatologie
-Silicates fondus
-Solubilité
-Sodium
-Structure
-Composition
-Basicité optique
-Olivine
-Coefficient de partage
-Chondres
Alkalis in molten silicates have a complex behaviour, changing from lithophile to volatile elements depending on temperature and/or reducing conditions. However, due to the lack of experimental data concerning activity/composition relationships, there is no thermodynamic model available to describe alkali solubility in silicate melts, and their partitioning between melts, minerals and gases. In order to tackle this issue, we have developed a new device for the determination of sodium oxide activity in silicate melts by equilibration of melts with gaseous environment of known Na partial pressure at high temperature and fixed oxygen fugacity (PO2) following: Na(gaz) +1/2 O2(gaz) = Na2O(liq). Using equilibrium data we have establish a model able to predict the sodium solubility and activity in silicate melt belonging CaO-MgO-Al2O3-SiO2 system, at differents PNa and temperatures, as a function of optical basicity, i.e. melt composition. These results have allowed us to determine new type of phase diagram at isoPNa. Finally, this study have to many applications in cosmochemistry, steel and magmatic process
-Silicate melts
-Sodium
-Solubility
-Structure
-Composition
-Optical basicity
-Chondrules
-Olivine
-Partition coefficient
Source: http://www.theses.fr/2009INPL044N/document
Publié le : dimanche 30 octobre 2011
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Doctorale Ressources Procédés Produits Environnements (RP2E)
THESE DE DOCTORAT
Présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l'Institut National Polytechnique de Lorraine en Géosciences
Présentée par
Romain MATHIEU
Solubilité du sodium dans les silicates fondus
Soutenue publiquement le 04 septembre 2009, à Vandoeuvre les Nancy;
devant le jury composé de:
Rapporteurs: Dr. Bruno Scaillet, ISTO-CNRS, Orléans
Pr. Andreas Pack, Georg-August-Universitat, Gottingen, Allemagne
Examinateurs: Pr. Christophe Rapin, LCSM, Nancy Université
Dr. Jean Lehmann, Arcelor-Mittal, Maizières les Metz
Pr. Roger Hewins, MNHN, Paris et Rutgers University, USA
Directeurs de thèse: Pr. Guy Libourel, CRPG-CNRS-ENSG, Nancy Université
Dr. Etienne Deloule, CRPG-CNRS, Nancy Université
Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, Vandoeuvre les Nancy INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Doctorale Ressources Procédés Produits Environnements (RP2E)
THESE DE DOCTORAT
Présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l'Institut National Polytechnique de Lorraine en Géosciences
Présentée par
Romain MATHIEU
Solubilité du sodium dans les silicates fondus
Soutenue publiquement le 04 septembre 2009, à Vandoeuvre les Nancy;
devant le jury composé de:
Rapporteurs: Dr. Bruno Scaillet, ISTO-CNRS, Orléans
Pr. Andreas Pack, Georg-August-Universitat, Gottingen, Allemagne
Examinateurs: Pr. Christophe Rapin, LCSM, Nancy Université
Dr. Jean Lehmann, Arcelor-Mittal, Maizières les Metz
Pr. Roger Hewins, MNHN, Paris et Rutgers University, USA
Directeurs de thèse: Pr. Guy Libourel, CRPG-CNRS-ENSG, Nancy Université
Dr. Etienne Deloule, CRPG-CNRS, Nancy Université
Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, Vandoeuvre les Nancy Solubilité du Sodium dans les Silicates Fondus

Les alcalins, généralement lithophiles à basse température, deviennent volatils à haute
température et/ou sous des conditions réductrices. Il existe peu de données expérimentales sur les
relations activité-composition dans les silicates fondus et aucun modèle thermodynamique ne permet
de prédire leur comportement dans les liquides silicatés. Pour acquérir une base de données cohérente
sur ces relations, nous avons développé un nouveau système expérimental permettant d'imposer et de
contrôler, à haute température, une pression partielle de sodium sous des conditions d'oxydoréduction
fixées. Une cellule thermochimique originale, simple de mise en œuvre et efficace a été conçue pour
contraindre l’ensemble de ces paramètres thermodynamiques. Les résultats de cette étude montrent
que les processus de condensation et de volatilisation du sodium dans les liquides silicatés du système
CaO-MgO-Al O -SiO peuvent être décrits par une équation simple de type : Na +1/2 O = 2 3 2 (gaz) 2(gaz)
Na O . Les données obtenues à l'équilibre sur des liquides de compositions différentes ont permis de 2 (liq)
dériver un modèle permettant de prédire la solubilité et les coefficients d’activité (aNa O et γNa O) 2 2
dans un liquide silicaté du système CaO-MgO-Al O -SiO , à différentes températures et différentes 2 3 2
PNa, en fonction de la composition de ce dernier. Ce modèle est basé sur la détermination de la
basicité optique du liquide sans sodium, c'est-à-dire suivant l’état de polymérisation du liquide et
suivant ses interactions acide-base entre oxydes. Par ailleurs, ces travaux ont permis la détermination
d’un nouveau type de diagramme de phase à isoPNa. Enfin cette étude a de nombreuses applications
en cosmochimie, sidérurgie et magmatologie.


Mots clés: silicates fondus, sodium, solubilité, structure, composition, basicité optique, chondres,
olivine, coefficient de partage.




















I
II
Sodium Solubility in Silicates Melts


Alkalis in molten silicates have a complex behaviour, changing from lithophile to volatile elements
depending on temperature and/or reducing conditions. However, due to the lack of experimental data
concerning activity/composition relationships, there is no thermodynamic model available to describe alkali
solubility in silicate melts, and their partitioning between melts, minerals and gases. In order to tackle this
issue, we have developed a new device for the determination of sodium oxide activity in silicate melts by
equilibration of melts with gaseous environment of known Na partial pressure at high temperature and fixed
oxygen fugacity (PO ) following: Na +1/2 O = Na O . Using equilibrium data we have establish a 2 (gaz) 2(gaz) 2 (liq)
model able to predict the sodium solubility and activity in silicate melt belonging CaO-MgO-Al O -SiO 2 3 2
system, at differents PNa and temperatures, as a function of optical basicity, i.e. melt composition. These
results have allowed us to determine new type of phase diagram at isoPNa. Finally, this study have to many
applications in cosmochemistry, steel and magmatic process.



Key words: silicate melts, sodium, solubility, structure, composition, optical basicity, chondrules, olivine,
partition coefficient



















III


IV










A la mémoire de ma grand-mère
et de mon oncle Jean-François.



















Je suis dépourvu de foi et ne puis donc être heureux, car un homme qui risque de
craindre que sa vie soit une errance absurde vers une mort certaine ne peut être
heureux. Je n’ai reçu en héritage ni dieu, ni point fixe sur la terre d’où je puisse
attirer l’attention d’un dieu : on ne m’a pas non plus légué la fureur bien déguisée du
sceptique, les ruses de Sioux du rationaliste ou la candeur ardente de l’athée. Je n’ose
donc jeter la pierre ni à celle qui croit en des choses qui ne m’inspirent que le doute,
ni à celui qui cultive son doute comme si celui-ci n’était pas, lui aussi, entouré de
ténèbres. Cette pierre m’atteindrait moi-même car je suis bien certain d’une chose : le
besoin de consolation que connaît l’être humain est impossible à rassasier.
Stig DAGERMAN (1923-1954)

V

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