Analyses de microvolumes de gaz par spectroscopie Raman : expériences quantitatives et modélisation des mélanges CO₂-CH₄-N₂

Raman spectroscopy analyses of microvolumes of gases (CO₂, CH₄ and N₂) : from quantitative experiments to theoretical modeling

• Auteur / Autrice : Van-Hoan Le
• Direction : Alexandre Tarantola, Marie-Camille Jodin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Pironon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Tarantola, Marie-Camille Jodin, Damien Guillaume, Samuel Marre, Márta Berkesi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Damien Guillaume, Samuel Marre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Baromètres

Densitométrie

Thermodynamique

Étalonnage

Spectroscopie Raman

Analyse

Inclusions fluides

Mots clés libres

Spectroscopie Raman

Fluides géologiques

Gaz

Thermodynamique

Densimètre

Baromètre

Interactions intermoléculaires

HPOC Système

Interface utilisateur

FRAnCIs

Raman spectroscopy

Geological fluids

Gas

Thermodynamics

Densimeter

Barometer

Intermolecular interaction

High-Pressure Optical Cell System

User Interface

FRAnCIs

Résumé

Les inclusions fluides naturelles peuvent fournir des informations quantitatives précieuses pour reconstruire les conditions de circulation des paléofluides. CO₂, CH₄ et N₂ sont les espèces gazeuses majoritaires le plus souvent rencontrées dans divers environnements géologiques. Cependant les données d’étalonnage des mélanges constitués de ces espèces pour une quantification de leurs propriétés PVX ne sont pas encore complètement établies. L'utilisation des données de calibration disponible dans la littérature peut donc entraîner des erreurs significatives. L'objectif central de ce travail de thèse est d’apporter des données d’étalonnage du signal Raman des gaz CO₂, CH₄, N₂ et de leurs mélanges, sur une gamme de pression de 5 à 600 bars, afin de pouvoir déterminer simultanément les propriétés PVX à une température fixée. Pour cela, des mélanges de gaz ont été préparés à haute pression par le biais d'un mélangeur (GasMix AlyTech) couplé avec un système de pressurisation développé au laboratoire GeoRessources. Des analyses in situ Raman des mélanges de gaz ont été réalisées dans des conditions contrôlées en utilisant le système HPOC couplé avec un microcapillaire transparent placé sur une platine microthermométrique (Linkam CAP500). L’incertitude des mesures des propriétés PVX à 22 ou 32 °C à partir de nos équations d’étalonnage est de < 1 mol%, ~ ± 20 bars et ~ ± 0,02 g.cm-³ pour la composition, la pression et la densité, respectivement. Un autre objectif du projet est d'interpréter la tendance de variation de la position du pic du N₂ et/ou CH₄ pour une compréhension approfondie. Deux modèles théoriques, i.e., le potentiel de Lennard-Jones 6-12 et le modèle « Perturbed hard-sphere fluid » ont été utilisés pour évaluer quantitativement la contribution des forces d'interaction intermoléculaire attractives et répulsives aux décalages des bandes de CH₄ et N₂. Un modèle prédictif a été proposé pour prédire la tendance de la variation de la position du pic du CH₄ jusqu'à 3000 bars en fonction de la pression et de la composition. En fin, l'applicabilité de nos données d'étalonnage aux autres systèmes gazeux ou dans d’autres laboratoires est discutée et évaluée. Des nouvelles données d’étalonnage universelles applicables dans d’autres laboratoires sont fournies. Un programme de calcul « FRAnCIs » avec une interface utilisateur a été développé pour rendre l'utilisation de nos données d'étalonnage accessibles au plus grand nombre.

Quantitative knowledge of species trapped within fluid inclusions provides key information to better understand geological processes as well as to reconstruct the conditions of paleofluid circulation. CO₂, CH₄, and N₂ are among the most dominant gas species omnipresent in various geological environments, but their quantitative PVX calibration data are not fully established yet. Using the previously published data can therefore lead to non-quantified errors, especially when applied to geological fluids containing generally several substances at elevated pressure and density. The aim of this work is to provide accurate calibration data for the simultaneous determination of PVX properties of pure gases or any binary and ternary mixtures of CO₂, CH₄, and N₂ over 5 to 600 bars at a fixed temperature, directly from Raman spectra. For this, gas mixtures were prepared and compressed using a mixer (GasMix AlyTech) coupled with a homemade pressurization system. Raman in situ analyses of gas mixtures were performed at controlled conditions using an improved HPOC system (High-Pressure Optical Cell) with a transparent microcapillary containing the prepared gas mixtures, placed on a heating-cooling stage (Linkam CAP500). Overall, the uncertainty of the measurement of the PVX properties of fluid inclusions from our calibration equations at 22 or 32 °C is < ± 1 mol%, ~ ± 20 bars, and ~ ± 0.02 g.cm-³ for molar proportion, pressure and density, respectively. The ensuing aim of the project is to interpret the variation trends of the peak position of the CH₄ and N₂ ν1 band for an in-depth understanding. Two theoretical models, i.e., Lennard-Jones 6-12 potential energy approximation and Perturbed hard-sphere fluid model were involved to quantitatively assess the contribution of the attractive and repulsive intermolecular interaction forces to the pressure-induced frequency shifts. A predictive model was also provided to predict the variation trend of the CH₄ ν1 band over a pressure range up to 3000 bars as a function of pressure and composition. Furthermore, the applicability of our calibration data to other laboratories and apparatus and to gas mixtures that contain a small amount of other species (e.g., H2, H2S) was discussed and evaluated. New universal calibration data applicable for other laboratories were then provided. A computer program “FRAnCIs” was also developed to make the application of our calibration data as convenient as possible via a user-friendly interface.