Mesure de l'autodiffusion de l'oxygène et du magnésium dans le diopside et applications
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
In order to constrain the diffusion mechanisms and to complete the existing data set in diopside (CaMgSi2O6 we studied oxygen and magnesium diffusion in this mineral. We performed annealings of diopside specimens at high temperature (1050C-1370C) under controlled oxygen partial pressure (pO2 = 10^(-12)-10^(-2) atm) with 18-O or 26-Mg as diffusing species. The measurements of diffusion profiles of these isotopes were done by nuclear reaction analysis. We obtain concentration profiles with a characteristic diffusion length ranging from 0. 1 to 1 mM. Deduced diffusion coefficients (D) are very small: from 10^(-21) to 10^(-18) m^2/s for oxygen depending on the temperature, and on the order of 10^(-18) m^2/s for magnesium at 1200C. Oxygen diffusion in diopside is anisotropic with diffusion coefficients one order of magnitude higher along the a and c crystallographic axes compared to b axis. Activation energies are Ea = 281 ± 21 kJ/mol, Ec = 228 ± 20 kJ/mol, et Eb = 333 ± 28 kJ/mol. We show that along the b axis, D is independent of p02, whereas along a and c, D is lowered by half to one order of magnitude as pO2 goes from 10^(-3) to 10^(-11) atm. From these results, we propose an extrinsic migration mechanism for oxygen. In the b direction, the number of atomic jumps for an oxygen atom to travel a given distance is bigger than for both other directions, and oxygen has to use sites more strongly bound. Our data also suggest that premelting of diopside does not affect the atomic sublattice and only concerns Ca and Mg sublattices. Such diffusion data are important for geospeedometry based on isotopic exchanges 18-O-16-O between minerals. We look at the case of a retrogressive isotopic exchange between diopside and calcite. We calculate 18-O diffusion profiles in diopside for a cooling rate beginning at the peak temperature of the metamorphism (750ʿC) and compare these results with isotopic ratios measured in samples of a marble of the Adirondacks. We show that modelisation of isotopic exchanges is strongly influenced by the chosen diffusion data and that the existence or lack of fluids during cooling cannot be determined from these data because we find no difference between diffusion data obtained in dry conditions (our work) and data obtained in hydrothermal conditions. We also show that modelling 18-O-16-O exchange at one dimension is not valid because of the anisotropic diffusion we observed.
Abstract FR:
Afin de contraindre les mécanismes de diffusion et de compléter les données déjà existantes dans le diopside (CaMgSi2O6), nous avons étudié la diffusion de l'oxygène et du magnésium dans ce minéral. Les recuits d'échantillons de diopside, à haute température (1050ʿC-1370ʿC), sous pression partielle d'oxygène contrôlée (pO2 = 10^(-12)-10^(-2) atm) ont lieu en présence des espèces diffusantes, 18-O ou 26-Mg. Les profils de diffusion de ces isotopes ont été mesurés par réaction nucléaire, la largeur caractéristique allant de 0. 1 à 1 mM. Les coefficients de diffusion (D) déduits sont faibles: de 10^(-21) à 10^(-18) m^2/s pour l'oxygène suivant la température et de l'ordre de 10^(-18) m^2/s pour le magnésium à 1200ʿC. La diffusion de l'oxygène dans le diopside est anisotrope avec des coefficients de diffusion plus élevés d'un ordre de grandeur selon les axes cristallographiques a et c que selon l'axe b. Les énergies d'activation mesurées, sont Ea = 281 ± 21 kJ/mol, Ec = 228 ± 20 kJ/mol, et Eb = 333 ± 28 kJ/mol. Nous montrons que selon b, D est indépendant de la pO2, alors que selon a et c, D baisse d'un demi ordre de grandeur quand la pO2 passe de 10^(-3) à 10^(-11) atm. A partir de ces résultats et de la structure du diopside, nous proposons un mécanisme de migration de l'oxygène en régime extrinsèque. Dans la direction b, le nombre de sauts atomiques pour parcourir une même distance que dans les directions a et b est plus important, et les sites empruntés sont plus liés. Nous suggérons que la préfusion du diopside n'affecte pas le sous réseau anionique, mais uniquement les sous réseaux Ca et Mg. De telles données de diffusion sont importantes pour la géospeedométrie des isotopes stables, basées sur les échanges 18-O -16-O entre minéraux. Nous traitons le cas d'un échange isotopique rétrograde entre diopside et calcite, en calculant les profils de diffusion de l'18-O dans le diopside au cours du refroidissement. Nous comparons ces résultats aux rapports isotopiques mesurés dans du diopside d'un marbre des Adirondacks. Nous montrons que la modélisation de ces échanges est influencée par les données de diffusion utilisées et que la présence ou l'absence de fluides pendant l'échange ne peut être déterminée à l'aide de ces données, la diffusion ne semblant pas accélérée par l'eau. Nous montrons aussi que les modèles d'échanges à une dimension dans le diopside ne sont pas valables, la diffusion étant anisotrope.