Thermodynamique des phyllosilicates de basse température: de l'approche macroscopique à la simulation atomistique

Phyllosilicates are important minerals in metamorphic petrology as well as in waste storage sites where clays are extensively used. Despite this fact, there is no thermodynamic model allowing to describe and to predict properly the behaviour of clay minerals (for example variation of volume with dehydration) and their phase relations with other minerals in metamorphic conditions. Inversely, the thermodynamic models of phengites are well constrained at high pressure and temperature but do not allow accurate thermobarometric estimations at temperatures less than about 350°C. In this study, we propose two new thermodynamic models for smectites, illites, mixed-layers illites / smectites and phengites. With these models, it is possible to predict the composition of stable clays at low temperature and to estimate the pressure and temperature of crystallisation of dioctahedral aluminous phyllosilicates. These models take into consideration the hydration state of clay minerals as a function of pressure, temperature and water activity. The thermodynamic properties of solid solutions and hydrated mica-like end-members have been estimated in order to reproduce experimental results of i) clay dehydration, ii) nature of stable phases, iii) calorimetric measurements, as well as known (or estimated with independent methods) pressure-temperature conditions of crystallization of phyllosilicates analyses, from diagenesis conditions to ultra - high - pressure / temperature conditions. Phase diagrams have been computed with these models in simple systems. Conditions of crystallization of phyllosilicates have been estimated on many samples, including electron microprobe compositional maps.We investigated several approaches to estimate thermodynamic properties of minerals. All these methods revealed to be insufficiently accurate to estimate standard enthalpy of formation; calculated enthalpies of formation can not be directly used for thermobarometric estimations. However, we suggest several improvements to these methods. We used atomistic simulation to calculate the mixing enthalpy along two solid solutions binaries of interest in low-temperature petrology. Results are in agreement with observations in natural systems and confirm the importance of hydration in clay minerals stability.Les phyllosilicates sont des minéraux d'importance dans l'étude des roches métamorphiques et dans les sites de confinement des déchets liés aux activités anthropiques. Or, les modèles thermodynamiques actuels des argiles ne permettent pas de reproduire les variations de volume observées lors de leur déshydratation, ni leur changement de composition lors du métamorphisme. Les modèles thermodynamiques des micas sont en revanche bien contraints à haute température mais ne permettent pas des estimations thermobarométriques précises à moins de 350° C environ.Nous proposons deux modèles thermodynamiques pour les smectites, illites, interstratifiés illites / smectites et micas. Ces modèles permettent respectivement de calculer la composition des phases stables à basse température, incluant les argiles, et l'estimation thermobarométrique de leurs conditions de cristallisation. Ils prennent tous deux en compte l'hydratation des phyllosilicates, variable en fonction de la composition, la pression, la température et l'activité d'eau. L'évaluation des propriétés thermodynamiques des équivalents hydratés des pôles purs des micas et des paramètres de solution solide nécessaires a été réalisée pour reproduire au mieux les contraintes expérimentales de déshydratation, nature des phases stables, calorimétrie ainsi que les estimations des conditions de cristallisation d'une compilation d'analyses, dont la gamme s'étend de la diagenèse à la haute pression - haute température. Ces modèles sont appliqués au calcul de diagramme de phase dans des systèmes chimiques simples et à l'estimation des conditions de cristallisation de phyllosilicates de nombreux échantillons naturels, y compris à partir de cartographies élémentaires.Nous avons testé plusieurs méthodes d'estimation des propriétés thermodynamiques des phases pour lesquelles les contraintes expérimentales et / ou du milieu naturel sont insuffisantes. Aucune d'entre elles ne permet une estimation de l'enthalpie standard de formation directement utilisable à des fins thermobarométriques. Nous proposons cependant une approche pour améliorer cette situation. De plus, nous avons utilisé une méthode de simulation atomistique pour évaluer l'enthalpie de mélange le long de deux solutions solides d'intérêt pour la pétrologie de basse température. Les résultats sont compatibles avec les observations du milieu naturel, et le calcul du solvus entre les pôles muscovite et pyrophyllite confirme l'importance de l'hydratation pour la stabilité des argiles