Propriétés physico-chimiques des silicates et des carbonates fondus par dynamique moléculaire - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Hdr Année : 2023

The physico-chemical properties of silicate and carbonate melts by molecular dynamics simulations

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

Résumé

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 de pression 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.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04168826 , version 1 (22-07-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04168826 , version 1

Citer

Nicolas Sator. Propriétés physico-chimiques des silicates et des carbonates fondus par dynamique moléculaire. Chimie-Physique [physics.chem-ph]. Sorbone Université, 2023. ⟨tel-04168826⟩
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