Etude expérimentale de l'eau et de solutions aqueuses métastables : implications pour le milieu naturel

Experimental study of water and aqueous solutions metastables : implications for the natural environment

• Auteur / Autrice : Mouna El Mekki-Azouzi
• Direction : Claire Ramboz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie, hydrogéologie, géostatistique et géochimie des eaux
• Date : Soutenance le 17/03/2010
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Rouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Ramboz, Jean-Louis Rouet, Michel Dubois, Yves Garrabos, Frédéric Caupin, Jean-Charles Bollinger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inclusions fluides

Nucléation

Solutions aqueuses (chimie)

États métastables (chimie)

Eau

Vapeur d'eau

Mots clés libres

Eau métastable

Metastable water

Résumé

L’eau tensile est de l’eau liquide métastable qui persiste dans le champ de stabilité de lavapeur à pression négative, sa durée de vie est finie. Des états de traction de l’eau jusqu’à -1400 baront été mesurés de façon spécifique dans des micro-inclusions intracristallines. La nucléation devapeur (Tn) marque le retour à l’équilibre. Les effets destructeurs liés à la rupture d’états transitoiresd’eau tensile sont observés dans le milieu naturel : explosions phréato-magmatiques, geysers.Modéliser la cinétique de l’eau métastable est fondamental pour gérer les risques qui lui sontassociés. Des inclusions fluides synthétiques (IF) de composition et de densité connues, piégées dansdu quartz, ont été placées dans le champ métastable par refroidissement isochore et leurs gammesde métastabilité ont été mesurées. On montre que la traction maximale de l’eau dans chaque IFdépend de son volume et de sa forme, de la méthode de synthèse de l’IF, de la chimie des solutionsoccluses. Des expériences de durée de vie ont été ensuite réalisées sur des IF placées de 0,5° à10°C au-dessus de leurs Tn. Les 8 IF choisies rende nt compte de la diversité des formes, desvolumes, des densités et gammes de traction observées. Les résultats montrent que la durée de viede l’eau tensile en IF est d’autant plus courte que la traction de l’eau est plus forte. Une loiempirique est proposée qui permet de calculer la durée de vie de la métastabilité pour chaque IF deTn et volume fixés. Par ailleurs, nos données peuvent être rendues compatibles avec la ThéorieClassique de la Nucléation. Nos résultats montrent que l’eau dans les réservoirs poreux naturels peutrester métastable pendant des durées géologiques et ainsi, contrôler les interactions fluides-rochesdans la croûte.

Stretched (tensile) liquid water is a metastable liquid which persists at negative pressures inthe stability field of vapour. The lifetime of metastability is limited. Tensions down to - 1400 bar havebeen specifically measured in aqueous inclusions inside quartz monocrystals. Vapour nucleation (Tn)marks the end of metastability. The destructive effects related to vapour nucleation in transientlytensile fluids are observed in nature: phreato-magmatic explosions, geysers. Modelling the kinetics oftensile water is critical in order to control the risks associated to metastable liquids. Quartz-hostedsynthetic fluid inclusions (FI) with known densities and chemistries have been placed into themetastable tensile field by isochoric cooling and their Tn have been measured. We show that thetensile strength of water in individual FI depends on the FI volume and shape, the method used tosynthetize the FI and the fluid chemistry. Experiments on metastability lifetimes have been performedby placing FI at temperatures 0.5° to 10°C above th eir Tn. Eigth FI were chosen that encompass thediversity of FI volumes, shapes, densities, fluid chemistries and tensile strengths. Our results showthat tensile water lifetimes are all the shorter as the trapped water is more stretched. An empiricalkinetic law is proposed that allows the lifetimes of tensile water in FI to be calculated as a function ofthe FI volume and Tn. Our data can also be reconciled with the Classical Nucleation Theory. Our datafinally show that water in natural porous reservoirs can remain stretched for geologically-relevanttimescales. Tensile water can therefore control fluid-rock interactions in the continental crust.