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Interactions between gas bubbles and crystals in silicate melts

Pleše Pia. (2019). Interactions between gas bubbles and crystals in silicate melts. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Gas bubbles in silicate melts are one of the key drivers of volcanic eruptions. Their nucleation, growth and potential for attachment to/detachment from other phases can greatly influence eruption explosivity. Bubble kinetics are generally determined from examinations of natural samples and quenched experimental run products. These samples, however, only provide a view of the final state, from which the initial conditions of a time-evolving magmatic system must be inferred. The interpretations that follow are inexact due to our inability to determine the exact conditions of nucleation and the potential detachment of bubbles from their nucleation sites, an uncertainty that can obscure their nucleation location. So far, based on sparse post-process 2D measurements of bubble-crystal contact angles, silicate crystals were deemed inefficient at heterogeneous bubble nucleation and oxide crystals were deemed efficient, even for the same reported contact angle value. The mutual affinity of bubbles and oxide crystals has also led to models of oxide transport via bubbles in natural melts. However, despite the widespread acceptance of bubble-oxide association, there is little direct textural evidence for these processes. These inconstancies and models based on limited observations led to my examination of other possible bubble-crystal interactions in andesitic melts, presented within this thesis. To overcome uncertainties related to post-process measurements, dynamic, real-time (in situ) 4D X-ray microscopy experiments were conducted on experimentally synthesized andesitic crystal bearing melts with 0.25 – 0.5 wt. % H2O. The samples were heated at 1 atm to induce bubble nucleation and track bubble growth and movement. Complementary experiments examined whether bubbles can nucleate on plagioclase crystal surfaces during decompression-induced degassing of andesitic melts, using a piston-cylinder apparatus. All post-process experimental products were imaged with 3D X-ray computed tomography. In contrast to previous studies, it was found that bubbles readily nucleated on plagioclase and clinopyroxene crystals in 1 atm experiments, and that the bubble-crystal contact angle changed during growth. In decompression experiments, plagioclase crystals in all samples were completely covered with bubbles. Bubble size distribution comparisons between bubbles in contact with plagioclase and bubbles in the melt (measured on decompressed samples), showed two populations, generated by two different events: 1) heterogeneous nucleation on plagioclase crystal surfaces, and 2) homogeneous nucleation within the melt. The calculated attachment force between the bubbles and the plagioclase surface is such that bubbles would remain attached during buoyant crystal movements. The net buoyancy indicated that the bubble-plagioclase aggregates of respective sizes such as those in the experiments could sink in an andesitic melt. The rapid heterogeneous nucleation of bubbles at 1 atm on plagioclase crystals showed that silicates can affect when vesiculation ensues in volcanic eruptions. The findings highlight the need to reconsider the role of plagioclase, and possibly clinopyroxene, crystals in magmatic degassing. Bubble-plagioclase aggregates found in decompression experiments show possibilities for magma mixing-triggered degassing and potential gas storage at depth. During decompression experiments, complex bubble-oxide aggregates also formed, due to hydrogen loss through the capsule walls causing oxidation of the melt. Small oxide crystals coated part of the outer bubble surfaces in a shell-like morphology. The bubble and oxide volumes were quantified, and their contact surface area measured in 3D. The complexity of 3D bubble-oxide aggregates revealed a range of interactions, from continuous generation, detachment and disintegration. Similar natural samples from different geological environments do exist and point to analogous interactions occurring in a much wider range of rock compositions.

Les bulles de gaz dans les fondus silicatés sont l’un des principaux moteurs des éruptions volcaniques. Leur nucléation, leur croissance et leur potentiel d'attachement / décollement peuvent grandement influencer l'explosivité de l'éruption. La cinétique des bulles est généralement déterminée à partir d'analyses d'échantillons naturels et de produits d'essais expérimentaux trempés. Cependant, ces échantillons ne donnent qu’une vue de l’état final, à partir duquel il faut déduire les conditions initiales d’un système magmatique en évolution dans le temps. Les interprétations qui suivent sont inexactes en raison de l’incapacité de déterminer les conditions exactes de nucléation et du détachement potentiel des bulles de leurs sites de nucléation, une incertitude qui peut masquer leurs sites de nucléation. Jusqu'ici, sur la base des mesures 2D post-processus des angles de contact entre des cristaux et des bulles, les cristaux de silicate ont été jugés inefficaces lors de la nucléation de bulles hétérogène et les cristaux d'oxydes ont été jugés efficaces. Les données disponibles dans la littérature sont toutefois rares et incohérentes, par ex. pour la même valeur d'angle de contact rapportée, les oxydes sont considérés comme efficaces et les silicates inefficaces. L'affinité mutuelle des bulles et des cristaux d'oxydes a également conduit à des modèles de transport d'oxydes via des bulles en fontes naturelles. Cependant, malgré l’acceptation généralisée de l’association oxyde-bulle, il existe peu de preuves texturales directes de ces processus. Ces incohérences et modèles basés sur des observations limitées ont conduit à examiner d'autres interactions possibles entre les bulles et les cristaux dans les fondues andésitiques. Pour surmonter les incertitudes liées aux mesures post-processus, des expériences de microscopie à rayons X 4D dynamiques, en temps réel (in situ) ont été conduites sur des fondues cristallines andésitiques synthétisées de manière expérimentale avec 0.25 à 0. 5% H2O en masse. Les échantillons ont été chauffés à 1 atm pour induire la nucléation des bulles et suivre la croissance et le mouvement des bulles. Des expériences complémentaires ont permis de déterminer si des bulles pouvaient se nucléé sur les surfaces cristallines du plagioclase lors du dégazage des fondues andésitiques induites par la décompression, à l'aide d'un appareil à piston et cylindre. Tous les produits expérimentaux post-processus ont été imagés avec une tomographie 3D à rayons X. Contrairement aux études précédentes, il a été constaté que les bulles dans les expériences à 1 atm formaient facilement sur les cristaux de plagioclase et de clinopyroxène et que l'angle de contact entre cristaux et bulles changeait au cours de la croissance. Dans les expériences de décompression, les cristaux de plagioclase dans tous les échantillons étaient complètement recouverts de bulles. Des comparaisons de la taille des bulles entre les bulles en contact avec le plagioclase et les bulles dans la fonte (mesurées sur des échantillons décompressés) ont montré deux populations, générées par deux événements différents, l’un étant la nucléation hétérogène à la surface des cristaux de plagioclase et l’autre homogène dans la fonte. La force d’attachement calculée entre les bulles et la surface du plagioclase est telle que les bulles resteraient attachées pendant les mouvements des cristaux flottants. La flottabilité nette était principalement positive, ce qui indique que les agrégats de bulles de plagioclase pourraient couler dans une chambre magmatique. La nucléation rapide et hétérogène des bulles à 1 atm sur des cristaux de plagioclase a montré que les silicates peuvent avoir une incidence sur quand les vésiculations se produisent lors d'éruptions volcaniques. Les résultats soulignent la nécessité de reconsidérer le rôle des cristaux de plagioclase et éventuellement de clinopyroxène dans le dégazage magmatique. Les agrégats de bulles de plagioclase trouvés dans les expériences de décompression montrent des possibilités de dégazage déclenché par le mélange de magma et de stockage de gaz potentiel en profondeur. Au cours des expériences de décompression, des agrégats complexes d'oxydes et bulles se sont également formés en raison de la perte d'hydrogène à travers les parois de la capsule, entraînant une oxydation de la fonte. De petits cristaux d'oxyde recouverts d'une partie des surfaces extérieures de la bulle dans une morphologie en forme de coquille. Les volumes de bulles et d'oxydes ont été quantifiés et leur surface de contact mesurée en 3D. La complexité des agrégats de bulles-oxydes en 3D a révélé une gamme d’interactions, allant de la génération continue, du détachement et de la désintégration. Des échantillons naturels similaires provenant de différents environnements géologiques existent et indiquent que des interactions analogues se produisant dans une gamme beaucoup plus large de compositions rocheuses.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2019
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en sciences de la terre et de l'atmosphère
Nombre de pages:284
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Sciences de la terre (géologie, géographie)
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Unité d'enseignement en sciences de la Terre
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Higgins, Michael D.
Baker, Don R.
Mots-clés:bubbles, experimental petrology, igneous petrology, pétrologie ignée, volcanologie, volcanology, boules, pétrologie expérimentale
Déposé le:24 sept. 2019 15:22
Dernière modification:26 sept. 2019 21:17
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