The molecular structure of melts along the carbonatite–kimberlite–basalt compositional joint: CO2and polymerisation

International audienceTransitional melts, intermediate in composition between silicate and carbonate melts, form by low degree partial melting of mantle peridotite and might be the most abundant type of melt in the asthenosphere. Their role in the transport of volatile elements and in metasomatic processes at the planetary scale might be significant yet they have remained largely unstudied. Their molecular structure has remained elusive in part because these melts are difficult to quench to glass. Here we use FTIR, Raman, 13C and 29Si NMR spectroscopy together with First Principle Molecular Dynamic (FPMD) simulations to investigate the molecular structure of transitional melts and in particular to assess the effect of CO2on their structure. We found that carbon in these glasses forms free ionic carbonate groups attracting cations away from their usual ‘depolymerising’ role in breaking up the covalent silicate network. Solution of CO2in these melts strongly modifies their structure resulting in a significant polymerisation of the aluminosilicate network with a decrease in NBO/Si of about 0.2 for every 5 mol% CO2dissolved.This polymerisation effect is expected to influence the physical and transport properties of transitional melts. An increase in viscosity is expected with increasing CO2content, potentially leading to melt ponding at certain levels in the mantle such as at the lithosphere–asthenosphere boundary. Conversely an ascending and degassing transitional melt such as a kimberlite would become increasingly fluid during ascent hence potentially accelerate. Carbon-rich transitional melts are effectively composed of two sub-networks:a carbonate and a silicate one leading to peculiar physical and transport properties

2. L'eau sous toutes ses formes et ses transformations

À température et pression ambiantes (20°C et 1 atmosphère*), l'eau est liquide, mais il suffit de la chauffer à 100°C pour la transformer en vapeur, ou de la refroidir à 0°C pour voir apparaître de la glace. Ces trois états de la matière (liquide, gaz et solide), qui n'existent que dans certaines conditions de température et de pression, ont des propriétés et un aspect très différents, alors que ce sont les mêmes molécules qui les constituent. Changements de phase Ces molécule..

Propriétés physico-chimiques des silicates et des carbonates fondus par dynamique moléculaire

This thesis is a summary of my work on silicate and carbonate melts achieved at the Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée (Sorbonne Université) with Bertrand Guillot and our students and postdocs. To better understand the geodynamics of our planet and its evolution (volcanism, biogeochemical cycles of water and carbon...), we need to evaluate the physico-chemical properties of magmatic fluids under the extreme temperature and pressure conditions of the Earth's mantle. With this in mind, we have developed force fields for molecular dynamics simulations of the properties of natural magmas for silicate melts in the SiO2-TiO2-Al2O3-Fe2O3-FeO-MgO-CaO-Na2O-K2O system and for carbonate melts in the CaCO3-MgCO3-Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 system. The interactions of water, CO2 and noble gases (He, Ne, Ar, Xe) are also considered to study the effects of these volatiles on silicate properties, and to determine their solubility and surface tension. The agreement between physical quantities calculated by molecular dynamics and experimental data (when available) is often remarkable, for properties as diverse as microscopic structure, equations of state, solubility or transport coefficients (diffusion coefficients, electrical conductivity, viscosity). The global agreement with experiments and the consistency of our results justify the use of our force fields for extending laboratory measurements to higher temperatures and pressures or to calculate physical quantities that have not yet been studied. Because of their high transferability, these force fields can also be used to predict the behavior of magmas of a given composition, whether terrestrial or more exotic, such as the magma oceans of exoplanets.Ce mémoire d'habilitation à diriger des recherches rassemble en les résumant mes travaux sur les liquides silicatés ou carbonatés réalisés au Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée (Sorbonne Université) avec Bertrand Guillot et nos jeunes collaborateurs, étudiants, doctorants et postdocs. Pour mieux comprendre la géodynamique de notre planète et son évolution (volcanisme, cycles biogéochimiques de l'eau et du carbone\dots), il est nécessaire de connaître les propriétés physico-chimiques des liquides magmatiques aux conditions extrêmes de température et depression régnant dans le manteau terrestre. C'est dans ce but que nous avons développé des champs de force permettant de simuler par dynamique moléculaire les propriétés des magmas de composition naturelle, pour les liquides silicatés du système SiO2-TiO2-Al2O3-Fe2O3-FeO-MgO-CaO-Na2O-K2O et pour les liquides carbonatés du système CaCO3-MgCO3-Li2CO3-Na2CO3-K2CO3. Les interactions de l'eau, du CO2 et des gaz rares (He, Ne, Ar, Xe) avec les atomes des silicates sont également prises en compte pour étudier les effets de ces volatils sur les propriétés des silicates et déterminer leur solubilité et tension de surface. L'accord entre les grandeurs physiques calculées par dynamique moléculaire et les données expérimentales (lorsqu'elles existent) est souvent remarquable, et ce pour des propriétés aussi variées que la structure microscopique, les équations d'état, la solubilité ou les coefficients de transport(coefficients de diffusion, conductivité électrique, viscosité). La qualité globale de cet accord avec l'expérience et la cohérence de nos résultats justifient l'utilisation de nos champs de force pour prolonger à des températures et pressions plus élevées les mesures en laboratoire existantes, ou pour calculer des grandeurs physiques qui n'ont pas encore été mesurées dans des compositions naturelles étudiées par ailleurs. Grâce à leur haute transférabilité, ces champs de force peuvent également être utilisés pour prédire les comportements de magmas d'une composition donnée, quelle soit terrestre ou plus exotique, comme celles d'océans magmatiques d'exoplanètes

Lignes de percolation dans un fluide supercritique

Daniel BEYSENS rapporteur Xavier CAMPI directeur de thèse Antonio CONIGLIO Hans HERRMANN rapporteur Hendrik-Jan HILHORST président Hubert KRIVINE co-directeur de thèse Dominique LEVESQUE invitéThe aim of this thesis is to establish the correspondence between the phase diagram of a simple fluid and its microscopic structure in terms of clusters of particles. Large scale Monte-Carlo and molecular dynamics calculations suggest that self-bound clusters are present in the supercritical phase, that is for temperatures above the critical one. These clusters, that are cooler than the system, generate a percolation line, characterized by the universal exponents of random percolation in three dimensions. This line, which starts at the thermodynamical critical point, is almost iso-energetic. Moreover, a non percolating macroscopic cluster appears as soon as one penetrates into the two-phase region for densities below the critical one. This clean correspondence between thermodynamics and morphologic changes is a natural consequence of the definition of clusters on physical grounds. Various experiments, within the reach of present day experimental techniques, are suggested to show the presence of these self-bound clusters and the existence of the critical percolation line. We have also studied the case of small systems, in order to discuss experiments of atomic aggregates and atomic nuclei fragmentation. Indeed, by simulations of the expansion of a liquid droplet, we have showed that self-bound clusters are the precursors of the observed fragments at the end of the fragmentation process. In small systems, critical behaviours are less pronounced, but the properties of the self-bound clusters remain qualitatively valid. In addition to its relevance in fundamental research, this work may allow a better understanding of the solubility of supercritical fluids used in many industrial processes.Le but de cette thèse est d'établir la correspondance entre le diagramme de phase d'un fluide simple et sa structure microscopique en termes d'amas. Les calculs de dynamiques moléculaire et Monte-Carlo que nous avons réalisés sur des systèmes de grandes tailles suggèrent que des amas énergétiquement stables existent dans la phase supercritique, c'est à dire pour des températures supérieures à la température critique. Ces amas qui sont plus froids que le fluide, engendrent une ligne de percolation, caractérisée par les exposants de la percolation aléatoire à trois dimensions. Cette ligne, qui part du point critique thermodynamique, est pratiquement iso-énergétique. Par ailleurs, un amas macroscopique non percolant se forme au passage de la courbe de coexistence liquide-gaz pour des densités inférieures à la densité critique. Cette interprétation géométrique de la condensation renforce l'idée que ces amas sont des objets physiques. Des expériences réalisables dans des systèmes macroscopiques sont proposées pour mettre en évidence la présence de ces amas stables et en particulier l'existence de cette ligne de percolation. Le cas des systèmes de petites tailles est également considéré afin de discuter des expériences de fragmentation de noyaux et agrégats atomiques. En effet, par la simulation de l'expansion d'une gouttelette de fluide, nous avons montré que les amas stables étaient les précurseurs des fragments observés lors d'un processus de fragmentation. Bien que les les comportements critiques soient atténués, les propriétés des amas stables restent valables dans ces petits systèmes. Enfin, l'analyse d'une expérience de fragmentation de noyaux atomiques montre un très bon accord entre les données expérimentales et les prédictions théoriques. Outre son intéret sur le plan fondamental, ce travail pourrait permettre une meilleure compréhension des propriétés de solubilité des fluides supercritiques, utilisés dans de nombreuses applications industrielles

LIGNES DE PERCOLATION DANS UN FLUIDE SUPERCRITIQUE

ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Properties of magmatic liquids by molecular dynamics simulation: The example of a MORB melt

International audienceA new atom-atom interaction potential is introduced for describing by classical molecular dynamics (MD) simulation the physical properties of natural silicate melts. The equation of state, the microscopic structure, the viscosity, the electrical conductivity, and the self-diffusion coefficients of ions in a mid-oceanic ridge basalt (MORB) melt are evaluated by MD over a large range of temperature and pressure (1673-3273 K and 0-60 GPa). A detailed comparison with experimental data shows that the model reproduces the thermodynamic, structural and transport properties of a MORB with an unprecedented accuracy. In particular, it is shown that the MORB melt crystallizes at lower mantle conditions into a perovskite phase whose the equation of state (EOS) is compatible with those proposed in the experimental literature. Moreover, in accordance with experimental findings, the simulation predicts not only that the MORB viscosity exhibits a (slight) minimum with the pressure, but also that the viscosity at high temperature remains very low ( 2273 K) even at high pressure (up to 40 GPa). However the evolution of the electrical conductivity with temperature and pressure is not always the symmetrical of that of the viscosity. In fact, the relationship between viscosity and electrical conductivity shows a crossover at around 2073 K

A "Little Big Bang" Scenario of Multifragmentation

15 pages, 12 figuresWe suggest a multifragmentation scenario in which fragments are produced at an early, high temperature and high density, stage of the reaction. In this scenario, self-bound clusters of particles in the hot and dense fluid are the precursors of the observed fragments. This solves a number of recurrent problems concerning the kinetic energies and the temperature of the fragments, encountered with the standard low density fragmentation picture. The possibility to recover the initial thermodynamic parameters from the inspection of the asymptotic fragment size and kinetic energy distributions is discussed