Ecole Doctorale Energie Matériaux Sciences de la Terre et de l

ED EMTSU
Ecole Doctorale
Energie Matériaux Sciences de la Terre et de l’Univers
Formulaire de demande de
Contrat doctoral institutionnel 2016
1. Informations administratives :
 Nom du Directeur de thèse : Bruno Scaillet
 Nom de l’éventuel co-Directeur : Michel Pichavant
 Le cas échéant nom, date de recrutement et date de soutenance d’habilitation
programmée du co-encadrant :
 Laboratoire : ISTO UMR 7327 (UO-CNRS-BRGM), ISTO
 Email du Directeur de thèse : [e-mail]
2. Titre de la thèse : Comportement des halogènes (Cl, F) dans les liquides silicatés : approche
expérimentale et modélisation thermodynamique : application au dégazage magmatique
3. Résumé : (1 page maximum, en times 11 en langage « vulgarisé »)
L’activité volcanique est responsable en grande partie de la constitution de notre atmosphère au
cours des temps géologiques. A plus courte échelle de temps (1-100 ans) le dégazage volcanique peut
également affecter la chimie de l’atmosphère et donc influencer l’évolution du climat global. Par ailleurs, le
suivi de la chimie des émanations gazeuses est un des outils de prédilection utilisé pour la surveillance
d’édifices volcaniques dormants ou en période de quiescence. Ainsi, les éléments présents à l’état de trace
dans l’atmosphère, mais relativement abondants dans les gaz volcaniques (soufre, halogènes) se sont
plusieurs fois révélés être de très bons précurseurs de crises volcaniques. Il est donc important de contraindre
quantitativement le bilan des émanations gazeuses d’origine volcanique. Cependant, si nous disposons de
données expérimentales des solubilités pour les espèces majeures (H2O, CO2, SO2) dans les liquides silicatés,
données qui permettent de construire des modèles thermodynamiques, cela n’est pas le cas des espèces
halogénées. Pour celles-ci, les données permettant d’établir la relation fugacité-composition sont
virtuellement inexistantes et il n’est donc pas possible de traiter les espèces halogénées (Cl et F notamment,
mais également Br) avec la même rigueur que les espèces COHS. Cette thèse se propose d’acquérir de telles
données expérimentales afin de bâtir un modèle thermodynamique du comportement des espèces halogénées
dans les bains silicatés.
La thèse portera tout d’abord sur la réalisation d’expériences en autoclaves conventionnels, au cours
desquelles différents liquides silicatés (basalte, andésite, dacite, rhyolite, trachyte, phonolite) seront
équilibrés avec des fluides halogénés, de chimie progressivement complexe: on explorera tout d’abord le
système H2O-halogènes, ensuite H2O-CO2-halogènes, et enfin, H2O-CO2-SO2-halogènes. Les liquides seront
trempés en fin d’expérience et les constituants volatils dissous dans les verres silicatés seront analysés au
moyen de techniques analytiques éprouvées, notamment la microsonde électronique. On s’attachera à
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contraindre également la composition de la phase fluide à l’équilibre avec le liquide silicaté, notamment par
bilan de masse, ce qui permettra de déterminer les fugacités des espèces halogénées au travers d’équation
d’état de la phase fluide, de type MRK ou autres. Les expériences et analyses afférentes permettront ainsi
d’établir à la fois les relations fugacités-composition (concentration dans le liquide silicaté) des espèces
halogénées et le formalisme thermodynamique le plus adapté à leur modélisation.
On réalisera ensuite des expériences dites in-situ, qui auront pour but de déterminer les conditions de
saturation en sels fondus des liquides silicatés. La précipitation de sels de type NaCl ou KCl est susceptible
d’affecter le budget des halogènes dégazés par les magmas lors de leur remontée, mais ces conditions de
saturation sont encore largement inconnues pour la plupart des compositions de liquide silicatés naturels. Ces
expériences seront réalisées avec un autoclave transparent couplé à un spectromètre Raman, installés dans le
cadre du projet equipex PLANEX, en collaboration avec le CEMHTI (Patrick Simon). L’utilisation de la
spectrométrie Raman in-situ permettra de déterminer si les expériences sont au dessous ou en dessous de la
crête du solvus H2O-NaCl (±KCl±CaCl2±HCl…), ainsi qu’idéalement la composition du sel. En
complément, des expériences en collaboration avec l’Institut Néel-Grenoble (J.L. Hazemann) sont également
envisagées dans le cadre du projet PLANEX.
L’intégration de ces deux types de données expérimentales devrait permettre d’aboutir à une
description complète de la chimie des gas magmatiques profonds, donc de mieux appréhender leur
comportement dans les cycles géologiques fondamentaux, leur effet sur l’environnement, et d’améliorer
considérablement la déconvolution de la chimie des gaz en tant que signal précurseur de manifestations
volcaniques.
La thématique d’ensemble de cette thèse relève du WP 4 du labex VOLTAIRE (bilans des halogènes
sur la chimie atmosphérique globale), projet qui servira de source de financement pour les consommables et
les missions nécessaires à l’atteinte des objectifs scientifiques.