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Jérôme Maumus

• The purpose of this work is to achieve a better understanding of the physical properties of rocks during partial melting processes. The electrical conductivity of some crustal and upper mantle rocks was measured prior and above the melting under pressure. The variations of the electrical conductivity were compared with the distribution of melt in partially molten rock samples. The electrical conductivity was estimated from the impedance spectroscopy at temperatures between 800 and 1450˚C and at pressures between 0.3 and 2 GPa. These measurements were performed in a piston cylinder apparatus. At temperatures above the melting, samples were equilibrated during a long time and subsequently quenched. Thin sections were prepared and topology, volume fraction and chemical composition of melt was analyzed by using a microprobe. Above the solidus temperature, the electrical conductivity increases for about 1 to 2 orders of magnitude in comparison with non-melted rocks. The "melt effect" seems to reflect the formation of an interconnected network of melt. When a complete melt connectivity is established, the charge transport follows the network of the formed melt films at grain boundaries. Usually, it takes a long time in order to reach a steady state of the electrical resistance in partially molten rocks. Only when a steady state of the electrical resistance is achieved, the bulk conductivity of a sample can be measured properly. The time-independent electrical conductivity were found only after 200 h of annealing time at a desired temperature. Usually, the measurements of a dihedral angle on grain-liquid interfaces in rocks show that the wetting of grain faces start to develop at temperatures slightly above the solidus temperature. The development of these faces should lead to a continuous melt network even at small melt fractions of few wt.%. This result is not confirmed by our electrical conductivity measurements. The complete interconnection of the melt phase, which was mark by an increase of the electrical conductivity, corresponds to a temperature significantly above the solidus temperature, for at least 30-50˚C. The development of these faces stimulate a significant increase of the electrical conductivity, and corresponds to the occurence of at least 5 wt.% of a melt fraction. This result could be explained by deviations from the textural equilibrium of a melt phase topology in partially molten samples due to heterogeneous grain size distribution, misorientation of grains and anisotropy of the superficial energy of adjacent grain boundaries. Some mixing models that allow to calculate the electrical conductivity of a composite as a function of a melt fraction were examined and the results of these calculations are discussed. The experimental results were compared to the conductivity data obtained from magnetotelluric and electromagnetic measurements in the Northern part of mid-Atlantic ridge where a series of magma chambers are presumably located. There is a good agreement between our conductivity values for a melt fraction of 10-13 the conductivity estimated in the Reykjanes ridge zone.
• Die elektrischen Eigenschaften von Mineralen und Schmelzen sind der Schlüssel zum Verständnis und zur Interpretation der elektrischen Struktur der Erde. Für eine Vielzahl von Gesteinen und Mineralen sind heute Leitfähigkeitsdaten verfügbar. Die elektrische Leitfähigkeit und die dielektrischen Konstanten können indirekte Informationen über Phasentransformations- und Diffusionsprozesse liefern. Sie werden zur Charakterisierung von Mineralstrukturen herangezogen sowie zur Untersuchung der Mechanismen des Ladungstransports. Die elektrische Leitfähigkeit silikatischer Schmelzen ist um drei bis vier Grössenordnungen höher als die kristalliner Silikate. Die Anwesenheit einer Schmelzphase mit einer spezifischen Topologie kann einen grossen Effekt auf die interne Reibung und die Leitfähigkeit von Gesteinen haben. Da die elektrische Leitfähigkeit teilgeschmolzener Gesteine sowohl von der Verteilung der Schmelze im Kornmastab als auch vom Schmelzvolumen abhängt, können aus Leitfähigkeitsdaten wichtige Parameter wie Benetzungswinkel, Grenzflächenenergien oder der Grad einer Gittervorzugsregelung abgeleitet werden. Nicht zuletzt lassen sich so auch die Druck- und Temperaturbedingungen für das erste Auftreten einer Schmelzphase eingrenzen, also der Solidus für eine bestimmte Gesteinszusammensetzung. Es wird angenommen, dass die physikalischen Eigenschaften teilgeschmolzener Gesteine zahlreiche wichtige geodynamische Prozesse kontrollieren. Elektromagnetische Feldmessungen haben gezeigt, dass Zonen hoher Leitfähigkeit in der Erdkruste und im oberen Erdmantel existieren. Als mögliche Erklärung für diese Zonen in magmatischen Bögen, in Fore-arc-Bereichen und an mittelozeanischen Rücken ist ein partielles Aufschmelzen vorgeschlagen worden. Man ist nun bestrebt, Feldbeobachtungen, Laborexperimente und theoretische Modelle zu verknüpfen, um offene Fragen hinsichtlich der Anwesenheit von Schmelzen, dem Ausmass des Aufschmelzens und damit nicht zuletzt der Dynamik der mittelozeanischen Rücken zu beantworten. Bislang liegen nur wenige experimentelle Studien über den Effekt partieller Schmelzen auf die elektrische Leitfähigkeit von Gesteinen vor. Zudem wurden die Experimente mehrheitlich an teilgeschmolzenen Gesteinen unter Raumdruck-Bedingungen durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Temperatur den grössten Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Gesteinen hat; die Druckabhängigkeit ist dagegen vergleichsweise gering. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die elektrische Leitfähigkeit von natürlichen Gesteinen der Kruste und des Erdmantels sowie einem synthetischen Gesteinsanalogon unter den Temperatur- und Druckbedingungen der tieferen Erdkruste und des oberen Mantels bestimmt. Die elektrischen Leitfähigkeiten der teilgeschmolzenen Proben wurden dabei in situ impedanzspektroskopisch gemessen. Die experimentell eingestellte Schmelztopologie wurde rasterelektronenmikroskopisch untersucht und das Schmelzvolumen sowie die Verteilung der Schmelze im Kornmasstab mittels bildanalytischer Verfahren abgeschätzt....
• Le but de ce travail est l’étude de la fusion partielle des roches du manteau et de la croûte terrestre par des mesures de conductivité électrique. De fait, des expériences de fusion partielle sur des échantillons de roches de la croûte inférieure et du manteau supérieur ont été réalisées dans une presse de type piston-cylindre et la conductivité électrique des échantillons a été mesurée. La conductivité électrique est estimée d’aprés des mesures de spectroscopie d’impédance électrique effectuées in-situ pendant la fusion partielle, à des températures comprises entre 800 et 1450˚C et à des pressions de 3 à 20 kbar. Après fusion partielle, les échantillons sont trempés et des lames minces sont préparés pour analyse à la microsonde et imagerie avec un microscope électronique à balayage afin d’évaluer la proportion de liquide silicaté présente dans les échantillon. Quand la température est supérieure à la température du solidus, les mesures électriques permettent de déterminer une augmentation dramatique de la conductivité électrique qui peut atteindre des valeurs environ 1 à 2 ordres de grandeur plus importantes que la conductivité électrique de la roche non fondue. On estime que cet "effet de la fusion partielle" sur le comportement électrique des échantillons étudiés reflète la formation d’un réseau de liquide silicaté avec une bonne connectivité. En effet, les liquides silicatés étant de bien meilleur conducteur que les silicates, quand la connectivité du liquide de fusion est établie, le transport des charge électrique se fait préferentiellement par le réseau connecté de liquide silicaté plutôt que par les grains de roche. Aprés fusion partielle, la valeur de conductivité électrique ne devient stable qu’aprés un temps relativement long. Dés que "l’effet de fusion partielle" est detecté par les mesures électrique, le chauffage de l’échantillon est stoppé et la variation de conductivité électrique est mesurée en fonction du temps. On peut ainsi estimer que la conductivité électrique ne devient stable qu’à partir d’une centaine d’heures aprés détection de la fusion partielle par les mesures électrique. Les études de la valeur de l’angle de mouillage dans les systeme liquide-solide effectués sur des analogues des roches montrent que dans le cas d’une distribution isotrope de l’énergie interfaciale dans les échantillons, l’établissement d’un réseau de liquide connecté autour des grains de roches peut être établi même en présence d’une faible fraction de liquide. Néanmoins, si la distribution de l’énergie interfaciale est anisotrope il faudra alors une proportion de liquide beaucoup plus important pour obtenir un réseau de liquide bien connecté. Le fait que la proportion de liquide estimée dans nos échantillons soit relativement importante (de 10 à 20 vol.%) montre que la connectivité du liquide silicaté, indiquée par une forte augmentation de la conductivité électrique, est accomplie seulement pour une grande fraction de liquide silicaté. Ce résultat ne peut s’expliquer que par une déviation de l’équilibre morphologique des échantillons partiellement fondus. Pour finir, nos résultats expérimentaux sont comparés aux mesures électromagnétiques effectuées dans une partie de la ride medio-atlantique (Rekjanes ridge) ou une chambre magmatique a été localisée. Il y a une bonne concordance entre nos valeurs de conductivité mesurées expérimentalelemnt, et la conductivité electrique estimée d’aprés les mesures électromagnétiques effectuées sur le terrain.