Na Al Si3O8-H2O solutions : a thermodynamic model for hydrous magmas
Authors: Burnham C. Wayne 
Published: July 2019

Le système NaAlSi₃O₈ sert depuis longtemps de modèle qualitatif des magmas hydratés leucocrates (felsic) principalement du fait des valeurs analogues de la solubilité de H₂O et de l'abaissement cryométrique, à la différence des magmas hydratés mélanocrates (mafic) où la solubilité de H₂O exprimée en proportions pondérales est très différente, et qui donc n'ont pu être traités par un tel modèle. Cet article se propose de montrer que ces différences de solubilité disparaissent lorsqu'on les exprime en proportions molaires et qu'alors le système NaAlSi₃O₈ peut être utilisé comme modèle thermodynamique quantitatif pour presque toutes compositions si ce n'est les plus extrêmes.

Les propriétés thermodynamiques de H₂O dans ce système ont été calculées à partir des relations obtenues expérimentalement entre P, V et T. Les résultats s'appliquant à ce problème sont les suivants :

(1) Une masse formulaire de NaAlSi₃O₈ (262,2 g) est la masse de magma anhydre réagissant avec une mole d’eau.

(2) La fugacité (fwm) de H₂O dans le magma est proportionnelle au carré de la fraction molaire pour Xwm ≤ 0,5.

(3) La fugacité de H₂O dans le magma est une fonction exponentielle de cette fraction molaire pour Xwm ≤ 0,5.

Ces expressions de la fugacité de H₂O indiquent qu’elle obéit à la loi de Henry pour les solutés entièrement dissociés, lorsque la fraction molaire de H₂O est inférieure ou égale à 0,5, mais s’en écarte pour des teneurs en H₂O plus grandes. Ces faits suggèrent donc une dissolution de l’eau dans le magma suivant la réaction H₂O + O²⁻ ⇆ 2 OH⁻, qui entraîne pour Xwm ≤ 0,5 une dissociation avec échange proton-cation.

A l'aide de ce modèle et de la masse efficace de NaAlSi₃O₈ fondu, la masse équivalente de « magma » anhydre peut être calculée. Pour Xwm ≤ 0,5, la masse équivalente d’un bain anhydre aluminosilicaté est celle que l’on obtient par normalisation à 1 atome-gramme de cation échangeable, (1) un cation échangeable étant n’importe quel cation non tétraédriquement coordonné ; (2) le nombre de cations échangeables ne pouvant excéder celui des cations trivalents tétraédriquement coordonnés et (3) la somme de tous les cations tétraédriquement coordonnés n’excédant pas 4 fois celle des cations échangeables. Pour Xwm > 0,5, la masse équivalente sera la même, sous réserve de réduction si nécessaire à une masse ne contenant pas plus de 8 atomes˗grammes d’oxygène. En utilisant ces règles, les masses équivalentes efficaces de la pegmatite de Harding, de l’andésite de Mt Hood et du basalte de Columbia River ont été calculées à partir de leurs analyses chimiques, et les solubilités déterminées expérimentalement en proportions pondérales, ont été ensuite recalculées en proportions molaires. Ces solubilités molaires ont été trouvées identiques à celle de H₂O dans un magma NaAlSi₃O₈ aux erreurs expérimentales près.

Ces résultats établissent clairement la validité du système NaAlSi₃O₈-H₂O comme modèle thermodynamique quantitatif des magmas hydratés d’une grande variété de composition.

Il est par conséquent possible maintenant de calculer pour les magmas hydratés le nombre de relations d’équilibre qui auraient exigé précédemment de nombreuses années d’expérimentation difficile.