Thermal diffusion and magmatic differentiation : a new look at an old problem

When a thermal gradient is imposed on an isobaric solution, which is initially in chemical equilibrium, a redistribution of chemical species arises to minimize the free energy of the system. This process is known in general as thermal diffusion and in the case of liquids as the Soret effect. Matter and heat transfer taking place under these conditions can be formally treated with the methods of non-equilibrium thermodynamics. The Onsager reciprocity relations for the coefficients in the flux equations can be used to estimate the Soret coefficients. Soret effect experiments on molten salts and silicate melts have confirmed the Onsager reciprocity relations, and have shown that this effect can cause considerable isotopic and chemical inhomogeneity. Under suitable conditions the Soret effect can be as effective as crystal fractionation as a cause of magmatic differentiation. Network formers show a Soret effect opposite to that of network modifiers in silicate melts. The effectiveness of the Soret effect will be increased greatly if convection also takes place ; the coupling of these two processes gives rise to a phenomenon known as thermogravitational separation. The recently discovered process of double diffusion, which is also believed to occur in magma chambers, will also enhance considerably the Soret effect. Petrological evidence for the operation of the Soret effects is reviewed.Si un mélange en équilibre à la fois mécanique et énergétique est soumis à un gradient de température, il se produit une redistribution interne de ses constituants afin de minimiser la distribution d'énergie. Ce phénomène qui est connu sous le nom d'effet Soret ou thermodiffusion peut être étudié dans le cadre de la thermodynamique du non-équilibre car il résulte du couplage de deux processus irréversibles : la conduction thermique et la diffusion chimique. En outre, à partir des relations de réciprocité d'Onsager, il est possible, en exprimant la production interne d'entropie due à la thermodiffusion , de calculer un ordre de grandeur des coefficients de Soret et ainsi de prévoir l'ampleur des flux de thermodiffusion. Des essais réalisés dans des sels fondus et des silicates liquides ont confirmé les théories de la thermodiffusion et ont montré que ce processus peut engendrer des migrations sélectives, d'ampleurs considérables, des espèces constituant les mélanges étudiés (ions, oxydes, isotopes...). L'analyse fine des séparations chimiques observées suggère en outre que les composants formateurs (ou vitrificateurs) d'une part, et modificateurs (ou fondants), d'autre part, sont les deux unités structurales principales impliquées dans la diffusion Soret. Ces résultats permettent de penser que la thermodiffusion peut intervenir dans les phénomènes de différenciation chimique et isotopique qui se produisent — à l'état liquide — au sein des intrusions magmatiques lors de leur refroidissement. Toutefois, du fait que la diffusivité de la chaleur est beaucoup plus grande que celle de la matière, l'effet Soret pur ne pourra présenter un intérêt géologique que s'il peut intervenir sur de courtes distances. L'association de la thermodiffusion et de la convection, loin d'annihiler les séparations, peut au contraire les accroître considérablement en même temps que leur cinétique. Deux processus remarquables, l'effet thermogravitationnel et l'association effet Soret-convection double-diffusive sont l'objet d'une étude détaillée qui démontre que des fractionnements importants peuvent être engendrés par ces deux procédés avant le déclin des gradients thermiques. La combinaison de l'effet Soret avec la convection double-diffusive apparaît particulièrement intéressante puisqu'elle peut engendrer en des temps courts (quelques centaines de jours) et sur de grandes distances (plusieurs centaines de mètres) des difféciations chimiques et isotopiques non négligeables dans des intrusions magmatiques stratifiées. En conclusion, on discute les analyses faites par plusieurs auteurs sur des chambres magmatiques et qui tendent à prouver que seule la thermodiffusion a pu produire les gradients chimiques et isotopiques observés.Schott Jacques. Thermal diffusion and magmatic differentiation : a new look at an old problem. In: Bulletin de Minéralogie, volume 106, 1-2, 1983. Silicates liquides