Etude expérimentale de la production d'H₂ associée à la serpentinisation des péridotites au niveau des dorsales océaniques lentes : quantification, état rédox, mécanismes réactionnels

Experimental study of H₂ generation associated with peridotite serpentinization at slow spreading ridges

• Auteur / Autrice : Colin Fauguerolles
• Direction : Michel Pichavant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 18/11/2016
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Mercury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Pichavant, Lionel Mercury, Fabrice Brunet, Gleb Pokrovski, Mathilde Cannat, Muriel Andreani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Brunet, Gleb Pokrovski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dorsales océaniques

Péridotite

Serpentinite

Expériences

Hydrogène

Mots clés libres

Serpentinisation

Hydrogène naturel

Simulation expérimentale

Serpentinization

Natural hydrogen

Experimental simulation

Résumé

Afin de mieux comprendre la serpentinisation des roches mantelliques au niveau des dorsales océaniques lentes, diverses séries d’expériences ont été réalisées à 50 MPa et 250, 300 et 350 ℃ pour quantifier l’H₂ produit et clarifier les liens entre la production d’ H₂, les phases minéralogiques produites et les propriétés rédox dues à la présence d’ H₂. Les résultats, qui constituent un effort cohérent de prise en compte des paramètres et conditions rédox lors de la serpentinisation, sont les suivants : – Une nouvelle méthode expérimentale de mesure in situ de la \fH a été mise au point à 250 et 300 ℃, 50 MPa. Les deux variables exprimant la concentration d’H2 dans le fluide, \molalHydAq et \fH, ont été reliées quantitativement. Ces résultats permettent le calcul de la \fO dans les systèmes hydrothermaux océaniques à partir de la concentration en hydrogène dissout. La production d’ H₂ commence précocement, augmente rapidement et est continue au cours de la serpentinisation. – Les expériences d’interaction harzburgite-eau de mer montrent que la serpentinisation est une dissolution irréversible de l’olivine et de l’orthopyroxene et qu’elle se décompose en une succession d’étapes impliquant des assemblages de phases hors d’équilibre et métastables. – Les mécanismes de la serpentinisation et les assemblages de phases produits (en particulier les oxydes de fer) dépendent de la \fH laquelle est étroitement contrôlée par les régimes de circulation des fluides dans la croûte océanique. – La modélisation thermodynamique des fluides hydrothermaux riches en H₂ souligne le besoin de connaître précisément \yHydAq , le coefficient d’activité de \hydAq.

To better understand serpentinization of mantle rocks at slow-spreading ridges, several series of experiments have been conducted at 50 MPa and 250, 300 et 350 ℃ to quantify the H₂ production associated with the serpentinization process, and to clarify the relations between the H₂ generation, the nature of product mineral phases and the redox properties of H₂ bearing hydrothermal systems. The main results of this work, which represents a significant effort toward the consideration of redox parameters and processes during serpentinisation, are the following: – A new experimental method of in situ monitoring of the \fH has been set up at 250 and 300 ℃, 50 MPa. The two variables expressing the H₂ production, \molalHydAq; aq and \fH , have been related quantitatively. Results enable the \fO of hydrothermal oceanic systems to be computed from the dissolved hydrogen concentration. H₂ production starts early, increases rapidly and is continuous in our serpentinization experiments. – Harzburgite-seawater interaction experiments show that serpentinisation is an irreversible dissolution reaction of olivine and orthopyroxene and that it consists of a sequence of discrete steps involving metastable and disequilibrium phase assemblages. – Serpentinisation mechanisms and phase assemblages (especially Fe oxides) depend on \fH, the latter being closely controlled by processes of fluid circulation in the oceanic crust. – Thermodynamic modelling of H₂ rich hydrothermal fluids stresses the need to know precisely \yHydAq, the activity coefficient of \hydAq.