Etude expérimentale des réactions de carbonatation minérale du C02 dans les roches basiques et ultrabasiques

An experimental study on mineral sequestration of C02 in basics and ultrabasics rocks

• Auteur / Autrice : Fabien Dufaud
• Direction : Guillaume Fiquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie fondamentale et appliquée
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Institut de physique du globe (Paris ; 1921-....)

Mots clés

Mots clés libres

Séquestration du C02

Roches basiques et ultrabasiques, carbonatation

Carbonates

Silicates

Isotopes

Géochimie

Minéralogie

Résumé

Une des voies envisagées pour limiter la teneur atmosphérique en CO2 est son stockage minéral sous forme de carbonates stables sur des périodes géologiques. Le but de cette thèse était d'étudier les réactions de piégeage de CO2 sous forme de carbonates dans les roches basiques et ultrabasiques. Une première étude, relative à la dissolution de la sidérite (FeCO3) par spectroscopie d'absorption des rayons X sous pression et température, a été réalisée dans le but d'étudier l'une des réactions limitantes du piégeage minéral. Une loi de dissolution, une énergie d'activation et des données de spéciation du fer en solution ont été obtenues. Ces expériences ont permis de tester le potentiel de micro- réacteurs sur ligne synchrotron pour ce type d'études. Un modèle analogique de la réaction de carbonatation de roches basiques et ultrabasiques à 90°C et 280 bar de CO2 a permis d'identifier que des mécanismes de dissolution nucléation précipitation de sidérites/ankérites/ magnésites zonées contrôlent la carbonatation. Le taux de piégeage minéral dans ces conditions est de quelques pourcents par an. Pour étudier des situations à taux de carbonatation plus élevés, une étude sur minéraux triés a été réalisée entre 400 et 500°C et 1,0 et 1,7kbar. Dans ces conditions le taux de piégeage minéral atteint plusieurs dizaines de pourcents en quelques heures. Les effets de la fugacité d'eau et de la salinité ont été étudiés. L'analyse minéralogique et chimique des produits de réaction a permis de mettre en évidence un couplage stoechiométrique entre la serpentinisation et la carbonatation de l'olivine. Une méthodologie permettant de réaliser des bilans de masse à partir des données isotopiques du carbone a été mise au point, suggérant l'importance de la formation de quantités faibles mais significatives d'espèces de carbone réduit

Mineral storage of carbon dioxide in the form of geologically stable carbonates is an option for mitigating the atmospheric CO2 increase. The purpose of this thesis has been to study carbonate formation in basic and ultrabasic rocks under high pressure high temperature possible CO2 injection conditions. First, data on siderite dissolution, a reaction limiting CO2 mineral storage, have been acquired by x-ray absorption spectroscopy under high pressures and high temperatures. A dissolution rate law, an activation energy and solution speciation data are given. These experiments have allowed to test the potential for these kinds of studies of batch microreactors mounted on synchrotron beamlines. Then, a laboratory experiment aimed at mimicking CO2 injection in basic and ultrabasic rocks at 90°C and 280 bar CO2 pressure is shown. Carbonatation by dissolution/precipitation of peridotites, basalts and serpentinites yields zoned siderites/ankerites/magnesites with mineral storage rates, depending on the substrate rock, of few percents per year. Finally, in order to study cases with high carbonatation rates, an experimental study on olivines, pyroxenes and serpentines has been relalized at 400-500°C and 1-1. 7 kbar. Mineral storage rates of several percents per hour have been measured. The importances of water fugacities and salinities have been evidenced and a stoichiometric coupling between carbonate production and olivine serpentinization has been shown. A methodology based on carbon isotopic analyses has been developed for establishing mass balances. It suggests that small but significant quantities of reduced carbon are formed in these experiments