Impact du soufre sur le transport des platinoïdes par les fluides hydrothermaux

Impact of sulfur on the fate of platinoids in hydrothermal fluids

• Auteur / Autrice : Clement Laskar
• Direction : Gleb Pokrovski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des Planètes Solides
• Date : Soutenance le 08/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Blanchard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Salvi, Isabelle Martinez, Jean-Louis Hazemann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas C. Scheinost, Mathieu Salanne, Laurent Truche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sulfures (minéralogie)

Altération hydrothermale

Platine, Groupe du

Mots clés libres

Métaux critiques

Platine

Palladium

Molybdène

Fluide hydrothermal

Complexes sulfurés

Constantes de stabilité

Géochimie expérimentale

Ressources minérales

Thermodynamique

Solubilité

Spectroscopie d'absorption X

Dynamique moléculaire

Critical metals

Platinum

Palladium

Molybdenum

Hydrothermal fluid

Sulfite complexes

Stability constants

Experimental geochemistry

Mineral resources

Thermodynamics

Solubility

X-ray absorption spectroscopy

Molecular dynamics

Résumé

Le but de ce travail de thèse est de mieux quantifier le rôle des fluides hydrothermaux porteurs de soufre dans le transport de métaux critiques chalcophiles comme les platinoïdes (PGE). La connaissance des complexes chimiques qu'ils forment avec les ligands soufrés est essentielle pour prédire la solubilité et le transport de ces métaux en fonction de la composition chimique du fluide (e.g., concentration et spéciation de soufre, pH, fO2) dans une large gamme de température et pression de la croûte terrestre. Toutefois cette connaissance est encore très incomplète et parfois contradictoire. En particulier, l'impact sur la mobilisation de ces métaux de nouvelles formes de soufre, les ions radicalaires trisulfures S3•-, récemment découverts dans les conditions hydrothermales, demeure inconnu. Pour combler cette lacune, dans ce travail nous avons mis en œuvre trois approches complémentaires : i) expériences de solubilité en réacteur hydrothermal en conditions contrôlées; ii) mesures par spectroscopie d'absorption de rayons X in situ (XAS) sur synchrotron; et iii) modélisation de structure et de stabilité de complexes par méthodes thermodynamiques et de dynamique moléculaire. Le principal résultat de ce travail est la mise en évidence, pour la première fois, de la formation de deux complexes majeurs responsables du transport de Pt et Pd, (Pt/Pd)(HS)42- dans des solutions sulfurées et (Pt/Pd)(HS)2(S3)22- dans des solutions contenant sulfate et sulfure, à des températures entre 50 et 300 °C et à des pressions jusqu'à 1 kbar. Ces nouveaux résultats ont permis de générer les constantes thermodynamiques de réactions de formation de ces complexes. Ces constantes ont été utilisées pour prédire la solubilité des sulfures de platinoïdes (PtS, PtS2, PdS). Nos prédictions montrent que le transport des platinoïdes a été largement sous-estimé, d'un facteur au moins 1000 à 10 000, dans les travaux antérieurs qui ont tous ignoré le rôle de l'ion S3•-. En résumé, nos résultats ont permis d'élucider, pour la première fois et de manière systématique, la nature et la stabilité des principales formes du platine et du palladium dans les fluides géologiques, et de mieux quantifier l'action du soufre et de ses radicaux sur les transferts de matière dans la lithosphère. Ces résultats ont des applications à la fois pour la métallogénie et les ressources minérales, le traçage géochimique ou encore les nanotechnologies utilisant ces métaux.

The goal of this thesis is to better quantify the role of sulfur-bearing hydrothermal fluids in the transport of critical chalcophile metals such as platinoids (PGE). Knowledge of the chemical complexes formed between these metals and sulfur ligands is essential to predict the solubility and transport of these metals as a function of fluid composition (e.g., sulfur concentration and speciation, pH, fO2) over a wide range of temperatures and pressures in the Earth's crust. However, this knowledge yet remains elusive. In particular, the exact impact of both traditional major sulfide ligands (HS-/H2S) and the trisulfur radical ion S3•- recently discovered at hydrothermal conditions on the mobilization of these metals, remains both inconsistent and controversial. To fill this gap, in this work we use three complementary approaches: i) hydrothermal reactor solubility experiments under controlled conditions; ii) in situ synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) measurements; and iii) structure and stability modeling of complexes by thermodynamic and molecular dynamics methods, to quantify, systematically for the first time, the speciation and solubility of Pt and Pd in H2S/HS/S3--bearing hydrothermal fluids. The major results of our work is the demonstration for the first time of the formation of two key complexes responsible for the transport of Pt and Pd: (Pt/Pd)(HS)42- in sulfide solutions and (Pt/Pd)(HS)2(S3)22- in sulfide-sulfate solutions, at temperatures between 50 and 300 °C and pressures between up to at least 1 kbar. These new results allowed us to generate thermodynamic stability constants for these complexes, and to use them to predict the solubility of Pt- and Pd-bearing sulfide solid phases (PtS, PtS2, PdS). Our predictions show that the transport of platinoids has been largely underestimated, by a factor of at least 1000 to 10000 in previous studies because they all ignored the role of the S3•- ion. In summary, our results have elucidated, for the first time and in a systematic manner, the nature and stability of the major forms of platinum and palladium in S-bearing geological fluids, and have better quantified the action of sulfur and its radicals on critical metals transfers in the lithosphere. The results of our work have applications for metallogeny and mineral resources, geochemical tracing and noble metal based nanotechnologies.