Flux hydrothermaux dans le manteau lithosphérique : étude expérimentale du processus de serpentinisation

Hydrothermal fluxes in the mantle lithosphere : An experimental study of the serpentinization process

• Auteur / Autrice : Sofia Escario Perez
• Direction : Marguerite Godard, Philippe Gouze
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 21/09/2018
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Muñoz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marguerite Godard, Philippe Gouze, Manuel Muñoz, Muriel Andreani, Isabelle Martinez, Pascale Bénézeth
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Andreani, Isabelle Martinez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbonates

Serpentine (minéralogie)

Altération hydrothermale

Lithosphère

Mots clés libres

Serpentinisation

Manteau lithospherique

Mineralisation

Hydrothermal

Carbonatation

Vitesse du fluide

Serpentinization

Mantle lithosphere

Mineralization

Hydrothermal

Carbonation

Flow rate

Résumé

L'altération hydrothermale du manteau lithosphérique dans les dorsales médio-océaniques fournit un mécanisme de transfert de chaleur et de masse entre la terre profonde et l'océan recouvrant. Le manteau lithosphérique est constituée de roches ultramafiques, également appelées péridotites. Ils comprennent plus de 70% d'olivine, de pyroxènes associés et de phases minérales mineures. La percolation de l'eau de mer dans le socle ultramafique produit l'altération de l'olivine et des pyroxènes en serpentine par le processus de serpentinisation et il est associé à des réactions d'oxydation et de carbonatation (lorsque le CO2 est présent dans le fluide). Le processus de serpentinisation présente un intérêt particulier pour la production de H2, le stockage du CO2, le développement de la vie et la production de gisements de minerai économiquement intéressants concentrés dans les fumeroles hydrothermaux. La durabilité et l'efficacité des réactions nécessitent la pénétration et le renouvellement des fluides à l'interface fluide-minéral. Les failles et les fractures des détachements océaniques sont les zones hautement perméables qui permettent à l'eau de mer de pénétrer profondément dans le manteau lithosphérique. Cependant, le processus de serpentinisation conduit à la précipitation de minéraux de faible densité qui peuvent remplir le réseau poreux, colmatant les chemins d'écoulement qui peuvent modifier les propriétés hydrodynamiques et la réactivité des roches réagi.Ces travaux de thèse visent à améliorer la compréhension des effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamique du milieu dans les zones hautement perméables au cours des premières étapes de l'altération du socle ultramafique. Il se concentre en particulier sur les changements de texture et les réactions chimiques des roches ultramafiques en évaluant les effets du (i) débit et (ii) des fluides salins riches en CO2. Deux séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisées à T = 170-190°C et P = 25MPa. La première série d'expériences consistait à injecter de l'eau de mer dans des échantillonnes de poudre d'olivine compressé sur une large gamme de débits constants. La tomographie par rayons X de haute résolution a été acquise avant et après l'expérience avec des débits élevés; afin d'évaluer les changements dans la microstructure de la roche lors de la réaction de serpentinisation. La deuxième série d'expériences consistait à injecter des fluides salins riches en CO2 dans des échantillonnes de péridotite fracturés mécaniquement.Les résultats ont permis de différencier: (1) un contrôle du débit du flux à l'échelle du pore peut contrôler la composition du fluide local et le développement de différents chemins de réaction à l'échelle de l'échantillon. (2) Le développement de différentes chemins réactifs et les changements de texture dans la roche dépend de la concentration de CO2 dissous dans la solution. (3) La formation de minéraux carbonatés (MgCO3) peut stocker du CO2 sous forme stable de minéral à long terme. (4) Un contrôle de la concentration de CO2 dissous dans le fluide et du réseau de fractures peut améliorer / limiter l'efficacité du stockage de CO2 dans les réservoirs de péridotite fracturés.Ces nouvelles données suggèrent un contrôle complexe de la structure des roches ultramafiques dans le processus de serpentinisation et fournissent de nouvelles perspectives pour le stockage potentiel du CO2 dans les réservoirs fracturés à la péridotite.

The hydrothermal alteration of the mantle lithosphere at mid-ocean ridges provides a mechanism for transferring heat and mass between the deep Earth and the overlaying ocean. The mantle lithosphere is constituted by ultramafic rocks, also called Peridotites. They comprise more than 70% of olivine, associated pyroxenes and minor mineral phases. The percolation of seawater into the ultramafic basement produces the alteration of olivine and pyroxenes to serpentine through the so-called serpentinization process and is associated to oxidation and carbonation reactions, the later when CO2 is present. The serpentinization process has special interest on H2 production, CO2 storage, development of life, and the production of economically valuable ore-deposits concentrated at hydrothermal vents. The sustainability and efficiency of the reactions requires penetration and renewal of fluids at the mineral-fluid interface. Oceanic detachment faults and fractures are the highly permeable zones allowing seawater derived fluids to penetrate deeply into the mantle lithosphere. However, the serpentinization process lead to the precipitation of low density minerals that can fill the porous network, clogging flow paths efficiently that may in turn modify the hydrodynamic properties and the reactivity of the reacted rocks.This PhD thesis aims at better understanding the feedback effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties occurred on highly permeable zones during the earliest stages of alteration of the ultramafic basement. It focuses in particular on the changes in texture and chemical reaction paths of ultramafic rocks by assessing the effects of (i) flow rate and (ii) CO2-rich saline fluids. Two suite of reactive percolation experiments were performed at T=170-190°C and P=25MPa. The first suite of experiments consisted in injecting artificial seawater into porous compressed olivine powder cores over a wide range of constant flow rates. X-Ray µ-tomography of high resolution was acquired before and after the experiment run with high flow rates; in order to evaluate the micro-structural changes of the rock occurred during the serpentinization reaction. The second suite of experiments consisted in injecting CO2-rich saline fluids into peridotite cores mechanically fractured.The results allowed us to differentiate: (1) That, a control of flow infiltration rate at the pore-scale can control the local fluid compositions and the development of different reaction paths at the sample-scale. (2) The development of different reaction paths and textural changes in the rock depends on the concentration of CO2 dissolved in solution. (3) The formation of carbonate minerals (MgCO3) can store CO2 in a form of stable mineral at long-term. (4) A control of the concentration of dissolved CO2(g) and the fracture network can enhance/limit the efficiency of CO2-storage in peridotite fractured reservoirs.These new supporting data suggest a complex control of the structure of the ultramafic rocks in serpentinization process and provides new insights for the potential CO2-storage in peridotite fractured reservoirs.