Synthèses de géomatériaux, P/T variable

Personnel et localisation

Responsable technique et contact : Erwan Le Menn
Responsable scientifique : Yann Morizet
Personnes exerçant sur la plate-forme : Philippe Navaro
Localisation : Nantes

Présentation

L’expérimentation haute pression est une discipline incontournable pour l’étude des processus des intérieurs planétaires. Le LPG a depuis de nombreuses années gagné une visibilité nationale et internationale dans le domaine de l’expérimentation haute pression et basse température, en lien avec l’étude des lunes de glace de Saturne et Jupiter. Les moyens expérimentaux employés pour ces études sont principalement de type cellules à enclumes opposées (saphir ou diamant).

L’expérimentation haute pression est une discipline incontournable pour l’étude des processus des intérieurs planétaires. Le LPG a depuis de nombreuses années gagné une visibilité nationale et internationale dans le domaine de l’expérimentation haute pression et basse température, en lien avec l’étude des lunes de glace de Saturne et Jupiter. Les moyens expérimentaux employés pour ces études sont principalement de type cellules à enclumes opposées (saphir ou diamant).

Depuis 2017, le parc instrumental est renforcé par un système dit de gros volume de type piston-cylindre. Ce nouvel équipement est capable de contraindre à haute pression et haute température des échantillons étendant le champ expérimental vers de nouvelles problématiques scientifiques.

Équipements

Cellules à enclumes opposées

Les cellules à enclumes opposées (diamant et saphir) et les dispositifs de régulation thermique disponibles au LPG permettent de balayer une large gamme de température (80-700 K) et de pression (0.1-50 GPa) couvrant très largement les conditions des intérieurs des lunes de glace. A titre d’exemple, la pression maximale attendue au centre de Titan (rayon de 2575 km) est estimée à 6 GPa.

Ces cellules sont des dispositifs optiques reposant sur la dureté et la transparence des enclumes dont les pointes tronquées sont mises en vis-à-vis. L’échantillon mis sous pression est retenu par un joint et est placé entre les pointes. L’augmentation de pression est obtenue à l’aide d’une membrane gonflée à l’hélium qui déplace l’enclume dite piston.

La mesure de la pression est réalisée in-situ par observation de la fluorescence des rubis, rubis introduits avec l’échantillon lors du changement. A chaque instant de l’expérience à haute pression, l’échantillon est observable par microscopie Raman permettant ainsi la détermination des phases en présence (nature chimique, organisation moléculaire).

Dans le cas d’études d’échantillons glacés, hydrates de gaz par exemple, des moyens de synthèse (autoclaves, mélangeur de gaz) et de caractérisation (chromatographie en phase gazeuse) sont mis en œuvre dans les étapes préliminaires au chargement en cellule. De plus, la présence d’une chambre froide (-25°C) dans nos locaux, permet notamment de manipuler ces échantillons fragiles lors d’opérations de broyage-tamisage, d’observations en microscopie optique et d’y réaliser différentes mesures physiques : masse, rhéologie.

Piston Cylindre

L’appareillage de type « end-load » permet d’atteindre des conditions de pression entre 0.5 et 3.5 GPa (>100 km de profondeur sur Terre) sur une large gamme de température (T > 2000°C). Un contrôle fin et automatique de la pression est réalisé, tout au long de l’expérience, à l’aide d’une pompe seringue (Stigma1000©) pilotée par ordinateur.

Lors des expériences, l’échantillon est contenu dans une capsule en métal noble (Pt, AuPd, Au…) assurant des conditions en système fermé. L’échantillon est ensuite placé dans un assemblage solide. Le chauffage est assuré par un courant continu injecté dans un four résistif en graphite. Une trempe rapide marque la fin d’expérience. Les vitesses de trempe sont de l’ordre de ~200°C/sec.

Plusieurs projets scientifiques utilisant cet équipement sont actuellement en cours au LPG et visent à comprendre:

• le magmatisme riche en éléments volatils sur Terre;
• le magmatisme ancien de la planète Mars (ANR MarsPrime)
• les interactions existantes entre le noyau silicaté des lunes glacées et l’océan liquide sus-jacent (ANR OASIS)

La polyvalence de l’équipement piston-cylindre a aussi permis de développer une recherche sur des nouvelles thématiques scientifiques se rapprochant des sciences des matériaux.

Récemment, le LPG a initié un projet de recherche sur le stockage des éléments radioactifs volatils issus de la production de l’industrie électronucléaire. Ce projet CIPress est mené en collaboration avec l’IMN et Subatech. De fait, l’appareillage piston-cylindre a vocation à être utiliser pour des programmes de recherche variés qui utilisent la pression comme paramètre intensif.

Thèmes associés

Systèmes Littoraux et Marins, Terre, Planètes et Lunes

Financements

CNRS, Nantes Université, Pari Scientifique CIPress, Région Pays de la Loire, ANR, ERC