Partie 2 : Techniques expérimentales
2.2. Matériaux de départ
2.2. Matériaux de départ 71
Deux types de matériaux différents ont été utilisés dans le cadre de ce travail : des mélanges d'oxydes (OCA2, CaHy, CaHyH) et des verres (CaNe, CaNe+2,5H, wh21-liq). L'utilisation de mélanges d'oxydes et de silicates finement broyés est une bonne solution pour les expériences à forte fraction de liquide et haute température. Elle est cependant responsable de l'existence de quelques déséquilibres chimiques (clinopyroxènes non-complètement équilibrés). L'utilisation de verres a été rendue nécessaire pour la composition CaNe en raison de l'impossibilité de synthétiser un oxyde riche en CaO (voir ci-dessous §2.2.2.3.). Pour les compositions CaNe+2,5, CaNe+5, CaNe+10, de l'olivine a été ajoutée au verre CaNe sous forme d'un mélange de fayalite synthétique et d'olivine magnésienne gemme (provenance Birmanie). Toutes les synthèses ont été réalisées dans le four 1-atm 1700°C.
Les poudres sont des mélanges d'oxydes du commerce (SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3, TiO2) et de silicates synthétiques (CaMgSi2O6, NaAlSi3O8, KAlSi3O8, Fe2SiO4). L'eau est ajoutée sous forme d'hydroxyde d'aluminium Al(OH)3. Les différents oxydes ont été desséchés à l'étuve à 150°C (sauf Al(OH)3, séché à 110°C) pendant au moins 12 heures, avant d'être pesés dans les proportions calculées, puis broyés et mélangés pendant 20 min environ. Les oxydes simples CaO, Na2O, K2O et FeO sont très réactifs et ne peuvent pas être conservés, d'où l'utilisation de silicates. Pour Ca, Na et K, il est possible de trouver dans le commerce les carbonates CaCO3, Na2CO3, K2CO3 mais l'introduction de ces composés dans les mélanges impose ensuite d'éliminer le CO2.
2.2.2. Synthèses de silicates.
2.2.2.1. Synthèse de NaAlSi3O8.
Pour tous les matériaux de départ, le sodium a été ajouté sous forme de NaAlSi3O8 (ab). Les proportions stœchiométriques de carbonates de sodium et d'oxydes d'aluminium et silicium ont été mélangées dans un mortier en agathe. Les poudres ont ensuite été placées dans des creusets en platine, dans un four à 1 atmosphère. La température du four augmente jusqu'à 600°C à raison de 50°C par minute. Le four est maintenu à cette température, qui correspond à la température de décomposition des carbonates, pendant quelques heures puis porté ensuite à 1100°C pendant trois jours. Le produit obtenu est ensuite finement broyé et utilisé dans les mélanges d'oxydes et pour la réalisation des verres. Il ne s'agit probablement pas d'albite, très difficile à cristalliser, mais d'un mélange d'alumine et de silicates de sodium.
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2.2.2.2. Synthèse de KAlSi3O8.
De façon similaire au sodium, le potassium a été ajouté sous forme de KAlSi3O8 (or), synthétisé dans les mêmes conditions que NaAlSi3O8. Une observation au microscope montre la présence de cristaux de corindon (Al2O3) dans un verre silicaté.
2.2.2.3. Synthèse de CaMgSi2O6.
Le calcium est ajouté dans les mélanges d'oxydes sous forme de diopside CaMgSi2O6
(di), synthétisé à partir d'un mélange de SiO2, MgO et CaCO3 finement broyés, décarbonaté à 1000°C, chauffé à 1480°C pendant 30 min, rebroyé, rechauffé à 1480°C pour 30 min. Le verre obtenu est incolore et homogène ; il est broyé et cristallisé à 1285°C pendant 24 heures (Eckert et al. 1991). Le résultat de la synthèse a été contrôlé par diffraction des rayons X ; tous les pics ont pu être attribués au diopside. La composition CaNe est trop riche en Ca et pauvre en silice pour permettre l'ajout de Ca sous forme diopside. Des essais pour synthétiser à 1 atm de la wollastonite CaSiO3 n'ont pas permis d'obtenir un matériau homogène à cause de la formation concurrente de silicates calciques très hygroscopiques (larnite, Ca3SiO5). La synthèse d'akermanite Ca2MgSi2O7 est plus facile mais donne des produits inhomogènes. Devant les difficultés rencontrées, j'ai choisi de synthétiser la composition CaNe sous forme de verre.
2.2.2.4. Synthèse de Fe2SiO4.
La fayalite Fe2SiO4 est le porteur du fer divalent dans les mélanges d'oxydes. Elle est obtenue à partir d'un mélange de Fe2O3 et de SiO2 finement broyé, chauffé à 1120°C dans un creuset Pt pré-équilibré en fer, sous une fugacité d'oxygène contrôlée pendant 48 heures. La fugacité d'oxygène doit être comprise entre les tampons QFM et QFI ; une fugacité telle que log fO2 = -12,50 a été choisie (Kägi 2000).
2.2.3. Préparation des verres
Les trois verres de départ (CaNe, CaNe+2,5H, wh21-liq) ont été préparés selon la même procédure, à partir d'un mélange de SiO2, TiO2, Al2O3, Cr2O3, Fe2O3, MgO, CaCO3, KAlSi3O8
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un mortier en agate, le mélange est placé dans un creuset en platine pré-équilibré avec un basalte et décarbonaté à 1100°C pendant 2 heures à l'air libre. Le four est alors monté sous atmosphère contrôlée au dessus du liquidus estimé (1390°C pour CaNe, 1350°C pour CaNe+2,5H, 1310°C pour wh21-liq) pour une durée d'une demi-heure. Les 3 synthèses ont été réalisées de façon à obtenir un rapport Fe3+/Fetotal égal à 0,2 ; la fugacité d'oxygène correspondante est calculée à partir de la composition du liquide (Kress et Carmichael 1991) puis convertie en pourcentages de CO2 et H2 dans le flux gazeux (Deines et al. 1974). A la fin de la fusion, le creuset Pt est sorti du four et aussitôt trempé dans un bécher d'eau froide. Le verre est alors détaché du creuset, broyé pendant 10 min et replacé dans le creuset, afin de réaliser une nouvelle fusion de 20 à 30 min. L'utilisation d'une deuxième fusion et un broyage très soigné permettent l'homogénéisation des verres, car les durées choisies pour les fusions ne sont pas suffisantes pour permettre une homogénéisation à grande échelle par diffusion (vérifié sur le verre CaNe+2,5H à partir d'analyses microsonde du verre intermédiaire). Après la seconde fusion, le creuset est trempé et le verre broyé 10 min. Dans le cas des produits de départ hydratés (CaNe+2,5H, wh21-liq), l'eau est ensuite ajoutée sous forme d'hydroxyde d'alumine Al(OH)3. Celui-ci est séché à l'étuve à 110°C pendant 24 heures puis mélangé au verre broyé pendant 10 min, en terminant avec très peu d'alcool pour éviter une sédimentation différentielle des particules.