Rôle des éléments alcalins et de l'eau sur les propriétés et la structure des aluminosilicates fondus et vitreux : implications volcanologiques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Role of alkali elements and water on properties and structure of aluminosilicate melts and glasses: volcanological implications

Rôle des éléments alcalins et de l'eau sur les propriétés et la structure des aluminosilicates fondus et vitreux : implications volcanologiques

Charles Le Losq
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 950397

Résumé

During this thesis, we studied the role of alkali elements and water on the structure and properties of aluminosilicates melts and glasses. Those compositions are important for the earth sciences field, and also for the glass-making and ceramic industries. Viscosities of alkali aluminosilicate melts have been measured, and their structures at the short- and middlerange orders have been studied in the corresponding glasses using Raman and NMR spectroscopies. Results show that the viscosity of alkali aluminosilicate melts depends strongly on the M alkali element residing in the network and on the M/Al and the Si/Al ratios. The glass structure changes depending on the M cation. The higher its ionic radius, the stronger it distorts the glass network, and the higher the viscosity is. Vitreous potassium tectosilicates are composed of regions enriched in silica, and of regions enriched in both aluminium and potassium. The potassium could be present in percolation channels in those compositions. The potassium and sodium ions, presenting different ionic radii, do not mix randomly in tectosilicates glasses and melts. This induces strong variations of their rheological properties depending on the sodium/potassium ratio. We implemented a Raman spectroscopy - based protocol allowing measuring the speciation and the concentration of water in aluminosilicate glasses and melts, regardless of their chemical composition. This protocol allows observing the bonding between water and the glass/melt network, and confirms that water have an amphoteric behavior in silicate and aluminosilicates glasses and melts. The application of this new method, in conjunction with the implementation of ad hoc viscosity models of magmas and with the use of geochemistry and geological data, allows us to retrieve pieces of information about the mechanisms controlling the eruptive behavior of volcanoes. This approach have allowed us to better characterized the fragmentation processes that occurred during the 3.1 Ma and 79 AD eruptions of Mont Dore (France) and the Vesuvius (Italy) respectively, and also to bring some pieces of information about the convection process of the Erebus (Antarctica) lava lake.
Au cours de cette thèse, nous avons étudié le rôle des éléments alcalins et de l'eau sur les propriétés et la structure des aluminosilicates vitreux et fondus. Ces compositions sont importantes pour les sciences de la Terre et pour l'industrie des verres, vitrocéramiques et céramiques. La viscosité de ces compositions alcalines fondues a été mesurée, et leurs structures à courte et moyenne distances ont été étudiées dans les verres à l'aide des spectroscopies Raman et RMN. Les résultats obtenus montrent que la viscosité des aluminosilicates fondus est fortement dépendante de l'élément alcalin M présent dans le réseau, du rapport M/Al et du rapport Si/Al. La structure du réseau vitreux change en fonction du cation M. Plus son rayon ionique est élevé, plus il distord le réseau, et plus la viscosité augmente. Les tectosilicates de potassium vitreux sont ainsi composés de zones enrichies en silice, et de zones enrichies en aluminium et en potassium. Le potassium pourrait être présent dans des chenaux dans ces compositions. Les ions potassium et sodium, ayant des coordinences différentes, ne se mélangent pas aléatoirement dans les tectosilicates vitreux et fondus, induisant de fortes variations de leurs propriétés rhéologiques. Nous avons mis en place un protocole, basé sur la spectroscopie Raman, permettant de mesurer la concentration et la spéciation de l'eau dissoute dans un aluminosilicate vitreux ou fondu, quelque soit sa composition chimique. Ce protocole permet d'observer les liaisons entre l'eau et le réseau silicaté, et les résultats obtenus confirment le caractère amphotérique de l'eau dissoute dans les aluminosilicates vitreux et fondus. En combinaison avec la mise en place de modèles ad hoc de viscosité des magmas et avec l'utilisation de résultats apportées par la géochimie et la géologie, l'application de cette technique à l'étude de ponces volcaniques permet d'apporter des informations quant aux mécanismes intervenant lors des éruptions volcaniques. Cette approche globale nous a permis de mieux caractériser les processus de fragmentation ayant eu lieu lors des éruptions de 3.1 Ma du Mont Dore (France) et de 79 AD du Vésuve (Italie), ainsi que le processus de convection du magma de l'Erebus (Antarctique).
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Dates et versions

tel-00923471 , version 1 (02-01-2014)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00923471 , version 1

Citer

Charles Le Losq. Rôle des éléments alcalins et de l'eau sur les propriétés et la structure des aluminosilicates fondus et vitreux : implications volcanologiques. Sciences de la Terre. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00923471⟩
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