Etude in situ du dégazage d’un magma rhyolitique

Ce travail prend la suite de la première étude expérimentale in situ de nucléation/croissance/coalescence de bulles d’eau dans un liquide silicaté hydraté en décompression, réalisée par Martel & Bureau (2001) dans une cellule à enclumes de diamants. Pour cette étude, le matériel de départ était un haplogranite synthétique HPG8. Dans le présent travail, nous avons voulu tester l’effet d’une composition chimique de départ différente de cette première étude. Cette composition a été choisie car sa température de liquidus est inférieure à 900°C. Notre choix s’est porté sur le verre TNPG5, mélange 50:50 de l’haplogranite HPG8 (Si+Al+Na+K) et d’une haplotonalite (Si+Al+Na+Ca). Les compositions chimiques de ces deux haplogranites synthétiques sont données dans le Tableau IV.1. Pendant les décompressions, une caméra analogique fixée à un objectif permet de visualiser la chambre à échantillons. Chaque expérience est filmée et enregistrée. La température est enregistrée grâce à un incrustateur d’écran. Chaque film est ensuite converti en séquence numérique puis en séquence d’images (5 images par seconde) pour l’étude de la nucléation, de la croissance et de la coalescence des bulles. Deux objectifs optiques sont utilisés pendant les décompressions. Un objectif x 10, au départ de l’expérience, permet de voir la chambre à échantillons complète (Figure IV.1). Un objectif x 20, pendant la décompression, permet de se focaliser sur un globule de liquide silicaté en particulier, et d’avoir une meilleure résolution permettant le suivi de la nucléation et de la croissance d’eau dans ces globules (rayons des bulles allant du µm à la dizaine de µm, voir Figure IV.4).

Pour les expériences, la cellule est chargée avec le verre hydraté (HPG8 ou TNPG5), de l’eau en excès, et une bulle d’air qui permettra via la détermination de la densité de la phase gazeuse de calculer la pression pour chaque température de l’expérience (Figure IV.1, voir section II.B.2.3). Dans les figures qui suivent, les températures données par chaque thermocouple sont situées en bas à gauche de chaque image. Pendant l’augmentation de température, les morceaux de verre silicaté vont passer d’un état solide à un état liquide lorsque la température de transition vitreuse sera atteinte : le verre commence à s’hydrater. La température à laquelle le verre commence à fondre dépend des paramètres thermodynamiques de chaque expérience (teneur en eau, température, pression). Pendant cette phase, il peut y avoir formation de germes cristallins (baguettes de plagioclases pour TNPG5 par exemple). Comme nous étudions ici la nucléation homogène des bulles d’eau dans le silicate liquide, les germes cristallins sont fondus totalement en augmentant la température jusqu’à atteindre leur dissolution totale. Dans certains cas, la miscibilité totale entre le silicate liquide et le fluide aqueux a été atteinte, on observe alors un fluide unique dit supercritique dans la chambre à échantillons (Figure IV.2, e.g. Shen & Keppler, 1997 ; Bureau & Keppler, 1999).

Après la miscibilité, on diminue la température (et donc la pression) jusqu’à que se produise l’immiscibilité et que s’individualise à nouveau le silicate liquide sous la forme d’un ou de plusieurs globules dans le fluide aqueux. C’est dans ces globules que l’on va suivre la nucléation, la croissance et la coalescence des bulles d’eau pendant la décompression (Figure IV.3). Pour générer la décompression, on baisse la température en coupant ou en diminuant manuellement l’alimentation des fours, la chute de la température induit celle de la pression (Figure IV.4.a,b). Dans la chambre à échantillons, la solubilité de l’eau dans le silicate diminue, il y a exsolution de l’eau et nucléation de bulles dans les globules de liquide silicaté (Figure IV.4.b,c). On observe alors la nucléation et la croissance des bulles d’eau dans le silicate liquide (Figure IV.4.c,d).  Afin d’étudier la cinétique du processus de vésiculation (nucléation, croissance et coalescence), nous avons étudié 14 expériences de décompression réalisées en cellules à enclumes de diamants hydrothermales de type Bassett, 8 nouvelles expériences réalisées avec la composition TNPG5, et 6 réalisées par Martel & Bureau (2001) avec la composition HPG8. Les conditions initiales des expériences sont présentées dans le Tableau IV.2. La pression est calculée à partir la de densité de l’eau, déterminée par la température d’homogénéisation de l’eau vapeur dans l’eau liquide. On calcule la pression pour chaque température pendant la décompression (voir chapitre II.B). Pour les expériences 12 à 14, nous n’avons pas pu introduire de bulle d’air lors du chargement de la cellule ; de ce fait il n’y en avait pas non plus après l’expérience.