Traçage isotopique des sources de fluides et de leur transfert dans la croûte

Isotopic tracing of fluids sources and transfer in the crust

• Auteur / Autrice : Carolina Dantas Cardoso
• Direction : Raphaël Pik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 17/07/2023
• 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 : Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (Vandoeuvre-lès-Nancy, Meurthe-et-Moselle)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Moreira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Pik, Daniele Pinti, Finlay Stuart, Evelyn Füri, Antonio Caracausi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniele Pinti, Finlay Stuart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isotopes

Hélium

Traceurs radioactifs

Marqueurs géologiques

Lithosphère

Provenance

Fluides

Mots clés libres

Fluides crustaux

Traçage isotopique

Isotopes de l'hélium

Crustal fluids

Isotopic monitoring

Helium isotopes

Résumé

Les gaz rares sont présents en faible concentration sur Terre et sont relativement inertes, ce qui en fait de bons traceurs des interactions fluides. Contrairement à la plupart des isotopes stables ou des éléments majeurs couramment utilisés comme traceurs géochimiques, les gaz rares sont moins sensibles aux modifications dues aux interactions eau/roche. En raison de leurs rapports très variables entre les trois principaux réservoirs terrestres, les systèmes isotopiques He et Ne présentent un intérêt particulier, fournissant des informations sur la source des fluides. L'objectif principal de cette thèse était de détecter les sources de fluides crustaux dans différents contextes géologiques et géotectoniques avec un accent particulier sur la précision des processus de transport dans la croûte : (i) monitoring et signature régionale isotopique dans le Nord de l'Islande, (ii) traçage de la source de He dans un bassin continental dans la Nièvre, et (iii) traçage de la source de He dans le champ géothermique du Lac Abhe (Djibouti). D'après les résultats rapportés dans cette thèse, les isotopes de l'He montrent que l'apport du manteau est présent dans différents contextes géotectoniques, pas nécessairement liés au volcanisme actif ou à l'extension, comme le cas des zones hors-rift en Islande et du Bassin parisien, ce dernier en contexte de croûte continentale. Dans le système géothermique du Lac Abhe, la signature isotopique de l'He est inférieure à celle attendue pour ce segment du système du rift est-africain, où un composant mantellique de type panache était anticipé, comme observé à quelques kilomètres de là, dans le SW Afar (∼ 55 km) et le Graben de Tendaho (∼ 110 km NO). Les isotopes de l'He sont un outil puissant pour retracer l'influence et les complexités de la présence et du transfert du composant mantellique dans les différents contextes géologiques. Cette thèse est organisée en 7 chapitres ; les trois premiers d'entre eux présentent des informations générales sur les différentes études et les suivants traitent des résultats et des conclusions de ces études. Le chap. 4 présente les résultats de l'enquête dans le nord de l'Islande - à la fois l'étude isotopique de divers systèmes et la série temporelle de 3He/4He d'échantillons d'eau géothermales provenant d'un forage (HA-01). Les résultats montrent l'influence d'un composant enrichi de type panache mantellique dans cette zone hors rift de l'Islande, via le transport vertical le long de zones de fissures volcaniques actuellement inactives. L'un des fjords présente des rapports 3He/4He inférieurs à une valeur mantellique standard pour ce contexte que nous attribuons à la libération de 4He* (radiogènique) renforcée par l'activité sismique le long du linéament de Dalvík. Nous interprétons les petites variations que nous avons observées dans la série temporelle comme dues à un mélange latéral à l'échelle locale des eaux souterraines pendant les périodes d'activité sismique (M ≥ 5 tremblements de terre). Le chap. 5 présente les principaux résultats de notre étude du gisement de gaz et des sources naturelles voisines dans la Nièvre. Nos résultats, à partir des différents systèmes isotopiques utilisés, indiquent un apport mantellique clair mais limité (∼ 2,5%) dans ce segment de la croûte continentale, le long des systèmes de failles N-S du centre de la France, en lien avec le Bassin parisien. Le chap. 6 rapporte les résultats de l'étude isotopique réalisée sur le champ géothermique du lac Abhe et les régions voisines. À partir des résultats isotopiques, nous déduisons que la source de chaleur du champ géothermique du lac Abhe est le volcan Dama Ali (∼ 30 km), qui est aussi la source du signal mantellique observé pour l'He et le CO2, tous deux transportés par un aquifère régional alimenté par de l'eau météorique. Le chap. 7 résume les principaux résultats et conclusions de cette thèse, ainsi que les questions restantes et les études futures potentielles.

Noble gases occur in low concentration on Earth and are relatively inert, making them good tracers of fluid interactions. Contrary to most stable isotopes or major elements commonly used as geochemical tracers, noble gases are less susceptible to water/rock interactions modifications. Due to their widely variable ratios among the three main Earth reservoirs (mantle, continental crust, and atmosphere), the He and Ne isotopic systems are of particular interest, providing information on the source of fluids. The main goal of this thesis was to detect the sources of crustal and geothermal fluids in different geological and geotectonic settings with a specific emphasis on precising transport processes in the crust: : (i) isotopic monitoring and survey in North Iceland, (ii) tracing the source of He in a continental basin in Central France, and (iii) tracing the source of He in the Lake Abhe geothermal field (Djibouti). From the results reported in this thesis, helium isotopes show that mantle input is present in different geotectonic contexts, not necessarily linked to active volcanism or extension, such as the case of off-rift zones in Iceland (Chapter 4) and of the Paris Basin (Chapter 5), the latter inserted in a continental crust setting. In the Lake Abhe geothermal system (Chapter 6), the helium isotopic signature is below the one expected for this segment of the East African Rift System (EARS), where an enriched plume-like endmember was anticipated, as observed a few kilometres away, in SW Afar (∼ 55 km) and Tendaho Graben (∼ 110 km NW). Thus, helium isotopes are a powerful tool to trace the mantle influence and transport complexities at different geological settings. This thesis is organized in seven chapters; the first three of them give background information on the different studies and the the next ones deal with the results and conclusions of such studies. Chapter 1 presents the context of the thesis, the helium isotopes systematics, and target areas. I detail the principle of helium and neon isotopes, the different applications of these systems in the study of fluids in the crust, finalizing with the presentation of the objectives of each case study. Chapter 2 lists the main sampling procedures I followed and Chapter 3 describes the different steps of helium isotope analyses, the main methodology I employed in this thesis. Chapter 4 presents the results of the investigation in North Iceland - both the isotopic survey of various systems and the time series of 3He/4He of groundwater samples from a borehole (HA-01). The results show the influence of an enriched and plume-like endmember in this off-rift zone of Iceland, via vertical transport along extinct volcanic fissure swarms. One of the fjords exhibit 3He/4He ratios lower than expected for typical mantle values in such a context, that we attribute to 4He* (radiogenic) release enhanced by seismic activity along the Dalvík lineament. We interpret the small variations we observed in the time series as a result of a local scale lateral mixing of groundwater during periods of unrest (M ≥ 5 earthquakes). Chapter 5 presents the main results of our study of the gas reservoir and its nearby springs in Nièvre, Central France. Our findings, from the various isotopic systems employed, indicate a clear yet limited mantle input (∼ 2.5%) in this segment of the continental crust, along N-S fault systems in Central France, reaching the Paris Basin. Chapter 6 reports results from the isotopic investigation performed at the Lake Abhe geothermal field and nearby regions (SW Afar and Tendaho Graben). From the results of multiple isotopic systems, we infer the Lake Abhe geothermal field source of heat is the Dama Ali volcano (∼ 30km), source of the mantle signal observed in helium and CO2, both transported by a regional aquifer fed by meteoric water. Chapter 7 summarizes the main results and conclusions of this thesis, along with the remaining questions and potential future studies.