Thèse soutenue

Etude des processus de serpentinisation et de production d’hydrogène dans la zone Nord-Pyrénéenne occidentale : du terrain à la caractérisation expérimentale

FR  |  
EN
Auteur / Autrice : Camille Tichadou
Direction : Marguerite GodardManuel Muñoz
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Géosciences
Date : Soutenance le 02/07/2021
Etablissement(s) : Montpellier
Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
Jury : Président / Présidente : Benoît Ildefonse
Examinateurs / Examinatrices : Marguerite Godard, Manuel Muñoz, Benoît Ildefonse, Muriel Andreani, Fabrice Brunet, Adélie Delacour
Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Andreani, Fabrice Brunet

Résumé

FR  |  
EN

La production abiotique de dihydrogène (H2) est observée et mesurée dans les environnements où l’altération hydrothermale des roches ultrabasiques (serpentinisation) a lieu. Cette réaction est associée à l’oxydation du Fe2+ contenu dans l’olivine et les pyroxènes, en Fe3+ hébergé par la magnétite et/ou serpentine. L’oxydation du fer est couplée à la réduction de l’eau conduisant à la formation d’H2. Les marges passives non volcaniques exposent du manteau serpentinisé sur une échelle km et présentent donc un grand intérêt pour la production d’H2. Notre étude est menée sur la paléo-marge Ibérique (NO Pyrénées), où des reliques de manteau affleurent.Cette thèse combine approches analytique et expérimentale. La première partie comprend une étude pétrostructurale (EBSD), minéralogique (XRD, Raman, XANES au seuil K du fer en roche totale et in-situ) et géochimique ((µ)-XRF, EPMA, (LA)-ICPMS) de 32 échantillons issus de 3 massifs de péridotites Pyrénéens : Urdach, Turon et Montaut. La deuxième partie présente les résultats d’une expérience hydrothermale longue réalisée sur des lherzolites du Turon.Les massifs étudiés sont principalement composés de lherzolites à spinelles issues d’un même manteau sous-continental, présentant des degrés de serpentinisation contrastés (teneurs en serpentine 14-100 pds%). Les trois massifs ont des teneurs variées en magnétite, indépendantes de leur degré d’altération et inversement proportionnelles à la teneur en Fe des serpentines. La précipitation de magnétite est attribuée à des températures de serpentinisation >250 °C.Les enrichissements sélectifs des éléments mobiles dans les fluides, en particulier Cs, Sb et Li, indiquent des interactions pour Turon et Montaut, avec des fluides dérivés des sédiments et de la croûte continentale. Ces résultats sont cohérents avec la position structurale de ces massifs, restés sous une unité de croûte continentale et de sédiments pré-rift au cours de l’événement extensif. Le massif d’Urdach, exposé sur le fond océanique, enregistre la formation d’ophicalcites et de serpentinites. Nos résultats montrent que les ophicalcites contiennent de la magnétite tandis que les serpentinites en sont exemptes. Ces contrastes sont interprétés comme représentatifs de chemins de réaction fluides/roches variés; avec des fluides riches en Ca-Sr pour les ophicalcites et des fluides riches en Si d’origines crustale pour les serpentinites. Ces conditions contrastées de serpentinisation résultent de contextes structuraux différents.A un même taux de serpentinisation, l’hydratation du manteau sous-continental produit autant d’H2 que le manteau océanique, mais affiche une contribution plus importante de la Fe3+-serpentine. La faible teneur en magnétite induite par des températures de serpentinisation plus basses et/ou une activité en silice du fluide plus élevée explique ce résultat. Compte tenu de nos résultats et des quantités de péridotites exposées aux marges passives, nous supposons que ces environnements ont une contribution significative dans le cycle global de l’H2.Le comportement du Fe a été étudié lors d’une expérience de serpentinisation pour mieux contraindre la distribution et la valence du Fe entre serpentine et magnétite. L’altération se produit dans des conditions hautement oxydantes avec la précipitation d’iddingsite et d’hématite, et un front de dissolution riche en Si se développe à la surface de l’échantillon. La nouvelle serpentine, située dans les veines du protolithe, est riche en Fe. En lien avec la fO2 élevée, nous suggérons que le fer est remobilisé de la magnétite instable vers la serpentine. Les résultats de la spectroscopie XANES au seuil K du fer montrent une valence du fer contrastée entre les surfaces exposées au fluide affichant des états d’oxydation élevés et la serpentine contenue dans la roche affichant des états d’oxydation faibles. Nous supposons que le comportement de l’H2 (piégeage ou libération) contrôle les conditions locales de fO2.