Expérimentation Haute Pression et Haute Température: 4ème Forum technologique du Réseau des Hautes Pressions 1er au 5 Novembre 2004, Messigny (Côte-d’Or) Expérimentation Haute Pression et Haute Température: Application à la localisation de l’uranium dans le manteau terrestre Steeve GREAUXa, Laurent GAUTRONa, Denis ANDRAULTb, Nathalie BOLFAN-CASANOVAc, Ali BOUHIFDd a. Laboratoire des Géomatériaux, Université de Marne-la-Vallée, Champs-sur-Marne b. Département des Géomatériaux, Institut de Physique du Globe de Paris, Paris c. Laboratoire Magmas et Volcans, Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand d. Department of Earth Sciences, University of Oxford, Oxford, UK Contexte Géophysique La Terre est une planète dont la forte activité interne nécessite beaucoup d’énergie. Il est communément admis que cette énergie provient en grande partie du manteau, par la désintégration de ses éléments radioactifs. On estime que près de 50% du flux de chaleur mesuré en surface, soit 44 TW, est due à la désintégration de l’uranium, du thorium et du potassium (Helffrich & Wood, 2001). La désintégration de l’uranium dans le manteau participerait à hauteur de 9 TW. Il est essentiel de connaître la localisation de ces éléments radioactifs dans le manteau terrestre afin de mieux comprendre le fonctionnement thermique et géodynamique de la Terre. Pour cela des expériences de hautes pressions et hautes températures ont été réalisées dans le système U-Ca-Si-O, en presse multi-enclumes au LMV (Clermont-Ferrand), et en cellule à enclumes de diamant à l’ESRF (Grenoble). Les échantillons trempés de multi-enclumes ont été analysés en microscopie électronique à balayage et en microdiffraction. Les échantillons de cellule diamant ont été caractérisés par diffraction des rayons X en dispersion d’angle sur la ligne ID30 (ESRF). Diffraction des Rayons X sur Synchrotron en cellule diamant (ESRF, ID30) Les échantillons ont été analysés par diffraction des rayons X, en dispersion d’angle, in situ à haute pression et haute température dans une cellule à enclumes de diamant, à membrane de type Chervin. Le faisceau monochromatique ( = 0,3738 Å) est focalisé à 10 x 15 m grâce à 2 miroirs en géométrie Kirkpatrick-Baez (Andrault & Fiquet, 2001) - L’échantillon est chauffé dans la cellule diamant, des 2 cotés, au moyen de 2 lasers YAG. UO2 absorbant le laser YAG, nous n’avons pas utilisé d’agent chauffant. La cellule est refroidie par un circuit d’eau. - La température est mesurée par spectrométrie d’émission des corps noirs (cf. Guignot, Forum HP 2004). - La pression est mesurée au travers de la compressibilité de l’argon, utilisé comme milieu transmetteur (Guignot, 2004). Rayons X Vers Spectromètre Presse Multi-enclumes de Clermont-Ferrand (LMV) La presse multi-enclumes du Laboratoire Magmas et Volcans (instrument national CNRS, Clermont-Ferrand) permet d’aller jusqu’à 25 GPa, à des températures allant jusqu’à 2400 K, selon le type de montage utilisé (Rubie, 1999). Le montage 10/4: - Pression entre 18 et 20 GPa, pour 1100 bars de pression de vérin. - Chauffage possible jusqu’à 2000 K, sur des durées allant de 3 à 12 heures. Lasers YAG 1 & 2 Cellule Diamant Vers plaque image 2 types de mesures ont été réalisées: - in situ en pression et en température, en focalisant le faisceau de rayons X sur le point de chauffage des 2 lasers YAG. par recuits successifs entre chaque montée en pression pour éliminer les contraintes résiduelles. Ces 2 types de mesures ont donné les mêmes résultats. L’acquisition des données se fait en 5 minutes sur une plaque image MAR3450. Les données sont intégrées par Fit2D puis traitées à l’aide de GSAS par raffinement Rietveld et LeBail. Les échantillons sont placés sous forme de poudres séchées dans une capsule de platine soudée, de 1,2 mm de diamètre et environ 1,5 mm de hauteur. Le chauffage se fait au moyen d’un four en LaCrO3 et la température est mesurée par un thermocouple W5Re95-W26Re74 placé près de la capsule. NB: La perte du thermocouple lors d’une expérience peut être compensée par un suivi de la tension appliquée au four, préalablement calibrée en fonction de la température.

Diffraction des rayons X sur synchrotron en cellule diamant Etude du système U-Ca-Si-O en fonction du temps, en presse multi-enclumes. CaSiO3 et UO2 sont mis en contact dans le champs de stabilité de la pérovskite calcique. Les échantillons sont synthétisés, à 18 GPa et 2000 K. L’expérience est répétée sur des durées de 3, 8 et 12 heures. Les échantillons trempés sont observés et analysés en microscopie électronique à balayage. Evolution du système U-Ca-Si-O sous l’effet de la température, en cellule à enclumes de diamant Nous avons porté un mélange matrice silicatée CaSiO3 et de l’uraninite naturelle UO2 dans le champ de stabilité de la pérovskite calcique. Pour une pression de 23 GPa, nous avons suivi les interactions dans le système U-Ca-Si-O en fonction de la température. Au fur et à mesure que l’on augmente la température, l’uraninite naturelle UO2 et la pérovskite calcique CaSiO3 disparaissent progressivement, pour laisser la place à 2400 K, à une nouvelle phase de structure pérovskite incorporant l’uranium (U-Ca-Pv). L’incorporation de l’uranium dans la pérovskite calcique est fortement dépendante de la température. Ce type d’expérimentation en cellule à enclumes de diamant permet de suivre la diffusion d’un élément tel que l’uranium, dans une phase de haute pression, en fonction de la température. Au bout de 3 heures, des « cellules de diffusion » sont observées autour des grains d’UO2. On observe une diffusion progressive de l’uranium au cours du temps. Au bout de 8 heures la phase majeure U-Ca-Pv se présente sous forme de grains incorporant jusqu’à 3 At% d’uranium. Au bout de 12 heures la teneur en uranium reste la même que dans l’expérience de 8 heures. On observe des plages plus larges témoignant d’une croissance cristalline plus avancée. 3 heures: une « cellule de diffusion » 8 heures: grains homogènes 12 heures: croissance cristalline avancée Microdiffraction sur les échantillons trempés de multi-enclumes En résumé: - La combinaison de techniques de haute pression, cellule diamant et presse multi-enclumes a permis de mettre en évidence la diffusion d’un élément lourd tel que l’uranium dans une phase silicatée de haute pression. On a pu notamment observer l’influence du temps et de le température sur la diffusion de l’uranium. - La microdiffraction des rayons X réalisée sur les échantillons trempés de presse multi-enclumes permet d’obtenir des informations structurales sur des plages de 20 μm. Cependant à grande focalisation, les résultats observés sont fortement influencés par de l’orientation préférentielle. - La diffraction des rayons X réalisée sur la ligne haute pression ID30, de l’ESRF a permis de suivre l’incorporation d’un élément tel que l’uranium dans une matrice silicatée. La stabilité de la nouvelle phase U-Ca-Pv riche en uranium a été observée en fonction de la pression et de la température. - Les phénomènes et les phases observés in situ en cellule diamant et en presse multi-enclumes s’avèrent être concordants. Ces deux techniques sont donc complémentaires dans l’étude du comportement des matériaux à haute pression et haute température. La microdiffraction des rayons X sur une plage de 20 μm de diamètre dans la phase U-Ca-Pv, dans les échantillons trempés de presse multi-enclumes, révèle des problèmes d’orientations préférentielles. Par exemple, les pics caractéristiques des raies (200) et (002) de U-Ca-Pv ne sont pas présents. On arrive à caractériser la structure de U-Ca-Pv ainsi que celle des phases annexes, en diffraction des rayons X dans les échantillons trempés de presse multi-enclumes, sur des spots de 100 μm de diamètre. La structure observée pour U-Ca-Pv est la même que celle des expériences de cellule diamant. VS Diffraction des rayons X sur synchrotron en cellule diamant Bibliographie 1. Hellfrich G.R. & Wood B.J. The Earth’s mantle. Nature 412, 501-507 (2001). 2. Rubie D.C. Characterising the sample environement in multi-anvil high pressure experiments. Phase Transitions, 68, 431-451 (1999). 3. Andrault D. & Fiquet G. Synchrotron radiation and laser heating in a diamond anvil cell. Review of Scientific Instruments, 72, 1283-1288 (2001). 4. Guignot N. Stockage des éléments alcalins et devenir de la croûte océanique dans le manteau inférieur. Thèse de Doctorat, Université Paris 7 (2003). La phase U-Ca-Pv ramenée à pression ambiante a été caractérisée par diffraction des rayons X en cellule diamant, à l’ESRF. Elle a une structure tétragonale : Groupe d’espace P 4/m m m a = 3,6443(2) Å c = 3,6647(4) Å