Argon diffusion in micas : empirical calibration and atomistic simulations
Diffusion de l'argon dans les micas : calibration empirique et simulations atomistiques
Résumé
While micas are among the most dated minerals in 40Ar/39Ar geochronology, their use in thermochronological reconstructions is limited by the lack of reliable data on 40Ar diffusion. The goal of this thesis was to calibrate the 40Ar diffusivity in micas through a dual approach, empirical and theoretical. The empirical study of the 40Ar diffusion was undertaken on muscovite grains from the very-slowly cooled Harney Peak granite (South Dakota, USA). We quantified the 40Ar diffusivity in these grains by combining high spatial resolution isotope mapping with microstructural characterization, and in situ crystallo chemistry. The results have shown a close spatial correlation between age gradients,the microstructure of minerals and their chemical composition, suggesting a loss of 40Ar by multipath diffusion. Our models reveal a 40Ar volume diffusion several orders of magnitude slower compared to experimental estimates. The theoretical approach undertaken in parallel consisted of calibrating the 40Ar diffusivity through atomistic simulations. These simulations identify the divacancy mechanism as the more energetically favorable pathway for 40Ar diffusion in micas, with activation energies of 66 and 77 kcal/mol for muscovite and phlogopite respectively, and a common frequency factor of 6 x 10-4 cm²/s. These parameters confirm the slow 40Ar diffusivity in micas empirically estimated and predict closing temperatures close to their upper stability limits. The 40Ar/39Ar thermochonological potential of micas must be reviewed in the light of these new data in order to refine the interpretation in terms of closure or crystallization ages depending on the context, the P-T-ttrajectory and microstructural defects modulating the diffusive regime of 40Ar within micas.
Alors que les micas font partie des minéraux les plus datés dans la géochronologie 40Ar/39Ar, leur utilisation dans les reconstructions thermochronologiques est limitée par le manque de données fiables sur la diffusion de l’40Ar. L’objectif de cette thèse était de calibrer la diffusivité de l’40Ar dans les micas selon une double approche, empirique et théorique. L'étude empirique de la diffusion de l’argon a été entreprise sur des grains de muscovite du granite Harney Peak (Dakota du Sud, USA) qui ont connu un refroidissement lent(sur des centaines de Ma). Nous avons quantifié la diffusivité de l’40Ar dans ces grains en combinant la cartographie isotopique à haute résolution spatiale avec la caractérisation microstructurale, et la cristallochimie in situ. Les résultats obtenus ont mis en évidence un lien étroit entre les gradients d’âge, la microstructure des minéraux et leur composition chimique, suggérant une perte de l’40Ar par diffusionmulti-chemins. Nos modèles révèlent une diffusion volumique de l’40Ar plusieurs ordres de grandeur plus lente comparée aux estimations expérimentales. L’approche théorique entreprise en parallèle a consisté en l’étude de la diffusivité de l’40Ar à travers des simulations atomistiques. Ces simulations identifient la migration via des lacunes doubles comme le mecanisme le plus énergétiquement favorable pour la diffusion de l’40Ar dans les micas, avec des énergies d’activation e 66 et 77 kcal/mol pour la muscovite et phlogopite respectivement, et un facteur de fréquence commun de 6 x 10-4 cm²/s. Ces paramètres confirment la lente diffusivité de l’40Ar dans les micas estimée empiriquement et prédisent des températures de fermeture proches de leurs limites supérieures de stabilité. Le potentiel thermochonologique 40Ar/39Ar des micas doit être revu à la lumière de ces nouvelles données afin d'affiner l'interprétation en termes d'âge de fermeture ou de cristallisation en fonction du contexte, de la trajectoire P-T-t et des défauts cristallins modulant le régime diffusif de l'40Ar au sein des micas.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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