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Les fluides naturelsLes inclusions fluides

Michel DuboisUniversité de Lille 1

Laboratoire Génie Civil et géo-Environnement

Plan du cours

1. Les fluides naturels2. Les inclusions fluides3. Principales méthodes d’étude4. Relations de phases dans les systèmes

fluides1. Systèmes unaires2. Systèmes eau-sels3. Systèmes eau-gaz4. Systèmes eau-hydrocarbures

5. Approche thermodynamique6. Applications aux problèmes

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1. FLUIDES NATURELS

1.1. Les grands réservoirsde fluides naturels

Les grands types de fluides

Robb (2005)

3

Eau de mer

Océans = le plus grand réservoir (98 %)Issus du dégazage du manteauForte charge en sels :

35 g sels/litre d’eauNa+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3

-, SO42-

Eauxmétéoriques

Eaux de pluie (+lacs+rivières) infiltréesdans les roches

Porosité des roches + fracturesSalinité basse (~ 0)

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Eaux deformation

(Formation waters)

Origines multiples :eau intégrée au sédimenteau météorique ayant interagi avec rocheseau issue de la déshydratation

↑ salinité, densité et température avec z

Fluidesmétamorphiques

Vers ~200°C, passage au métamophismeTrajet prograde :

déshydratation, décarbonatationsH2O, CO2, N2, CH4, H2Ssalinité faible

Zonation de la composition chimique

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Fluidesmagmatiques

Présence de volatils dans les magmas :H2O, CO2, S

Exsolution des fluides hors du magmaébullition primaireébullition secondaire

Salinités variables, riche en SiO2

1. FLUIDES NATURELS

1.2. Signature isotopiquede fluides naturels

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Les isotopes de l’hydrogèneL'hydrogène :

•élément omniprésent (H2O, CH4, manteau, …)

•possède 3 isotopes :•1H = 99,98%•2H (deutérium) = 0,01%•3H (tritium) est radioactif (12,5 ans)

•le plus léger des éléments et celui dont lecontraste de masse entre deux isotopes est leplus grand

•Variations : entre -350 et +50 ‰

δD (‰)

Eaux météoriques

Eau océanique

Roches sédimentaires

Roches ignéeset métamorphiques

Les isotopes des roches

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Les isotopes de l'oxygène

L'oxygène :

•élément le plus abondant sur la Terre

•possède 3 isotopes :•16O = 99,763 %•17O = 0,037 %•18O = 0,199%

•On utilise le δ18O

•Variations : entre -40 et +40 ‰

Les isotopes de l'oxygène

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Le rapport isotopique

!

R =isotope lourd[ ]isotope léger[ ]

Le rapport isotopique d’un échantillon est lerapport de la concentration de l’isotope lourd surcelle de l’isotope léger

•Rapport [2H]/[1H] dans l’eau de mer : 16.10-5

•Rapport [18O]/[16O] dans l’eau de mer : 0,002aux hautes latitudes : 0,0194

⇒ Les variations sont très faibles !!!

Notation δ et standardsinternationaux

Elt Couple δ Standard international

O 18O - 16O δ18O SMOW ("Standard Mean Ocean Water")

H 2H - 1H* δD=δ2H SMOW

C 13C - 12C δ13C PDB (Pee Dee Belemnite, formation deCaroline du Sud)

N 14N / 13N δ14N atmosphère

S 34S / 32S δ34S troïlite (FeS) du Cañon Diablo(Meteorite Crater, Arizona)

* appelé deutérium

•notation δ

!

" =1000 #Réchantillon

$ Rs tan dard

Rs tan dard

%

& '

(

) *

L'unité est le"pour mille" (‰)

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Eaux souterraines

δD(‰)

+50

0

-50

-100

-150-20 -10 0 +10 +20

δ18O (‰)

Les eaux souterraines et hydrothermales sontmarquées par la signature isotopique des rochesqu'elles traversent

SMOW

Droite desminéraux argileux

Interactionsfluide-roche

Eaux métamorphiques

Eaux de bassin

Eau magmatiqueprimaire

Les fluides sur Terre

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2. LES INCLUSIONS FLUIDESPrincipes généraux

et processus de formation

a. Principaux généraux

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Les fluides géologiques

Principaux constituants :eau : solvant principalsels : NaCl, KCl, CaCl2…hydrocarbures ± lourdsgaz : N2, CO2, H2S (réservoirs de gaz)

Origine :fluides de formationdéshydratation, dégradation de la M.O.fluides hydrothermauxfluides magmatiques et métamorphiques

Liquide

Vapeur

Inclusion fluide : définition

Inclusion fluide : microcavité d’un minéral ayantpiégé un micro-volume homogène de fluideprésent dans le milieu à un moment de sonexistence

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Les postulats

La composition de la cavité estinchangée depuis sa formation

Le volume de la cavité estinchangé depuis sa formation

Le micro-volume de fluide piégé étaithomogène au moment de la formationdes inclusions (une seule phase)

Signification thermodynamique

Une inclusion est :un système fermé : pas d'échange de

matière avec l'extérieurun système à volume constant (densité

constante)

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2. Processus de formation

Minéral en cours

de cristallisation

Phase fluide

Défaut cristallin

Les inclusions primaires

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Les inclusions secondaires

Roedder (1984)

Inclusions fluides secondaires

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postérieures

antérieures

Chronologierelative

Photo Goldstein (2003)

16

Formation des inclusions (1)

Formation des inclusions (2)

17

Formation des inclusions (3)

Formation des inclusions (4)

18

Formation des inclusions (5)

Formation des inclusions (6)

P

S

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Formation des inclusions (7)

Contraction vapour bubbles

« Fluid inclusion assemblage » (FIA)

un « FIA » est défini comme la pluspetite association possible d’inclusionsreprésentant le plus petit intervalle detemps de formation

Etabli à partir de l’observationpétrographique

Chaque inclusion d’une « FIA » devraitprésenter les mêmes propriétés (P, T,composition, t)

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3. METHODES D’ETUDE

Préparation des échantillons

Inclusion fluide dans l’émeraude(Photo Giuliani, Nancy)

Echantillon

Lame mince•Observation pétrographique•Potentialités en inclusions

Lame épaisse150-200 µm

•Repérage des inclusions•Typologie

Fragments de qques mm2

Minéraux étudiables :•Tous minéraux transparents•Pas les phyllosilicates•Quelques minéraux « opaques »

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Simulations des équilibres de phasesEtat conservationInclusions fluidessynthétiques

Analogique

ConcentrationsLA OES+ ablation

ConcentrationsLA ICP-MSSpectroscop.

ConcentrationsSynchrotron

ConcentrationsPIXE-PIGE

Molécules org.Infra-rouge

Gaz, minéraux,hydrates

RamanSpectroscop.

Concentrationsespèces dissoutes

EcrasementGlobal

Minéraux inclusM.E.B.

Densités partielleset totale

Concentrations deséléments majeurs

Microthermométrie

Densité des huilesHydrocarburesFluorescence UV

SurcroissancesChronologies

Cathodoluminescence

RvPrésence de CO2ParagénèsesTypologie

MicroscopieOptique

DensitéCompositionPétrographieInformationsMéthodeGroupe

3. METHODES D’ETUDE

3.1. Microscopies

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Simulations des équilibres de phasesEtat conservationInclusions fluidessynthétiques

Analogique

ConcentrationsLA OES+ ablation

ConcentrationsLA ICP-MSSpectroscop.

ConcentrationsSynchrotron

ConcentrationsPIXE-PIGE

Molécules org.Infra-rouge

Gaz, minéraux,hydrates

RamanSpectroscop.

Concentrationsespèces dissoutes

EcrasementGlobal

Minéraux inclusM.E.B.

Densités partielleset totale

Concentrations deséléments majeurs

Microthermométrie

Densité des huilesHydrocarburesFluorescence UV

SurcroissancesChronologies

Cathodoluminescence

RvPrésence de CO2ParagénèsesTypologie

MicroscopieOptique

DensitéCompositionPétrographieInformationsMéthodeGroupe

Typologie des inclusions

•Description des inclusions observées àtempérature ambiante :

•Forme•Taille•Nombre de phases :

•vapeur•liquide (1 ou 2)•solide (nombre illimité)

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Le remplissage vapeur (Rv)

Volume de la cavité (VT)

Volume de la bulle (VB)

!

RV

=VB

VT

L’existence de la bulle est liée à la différence decompressibilité entre minéral-hôte et fluide

Typologie

!

RV

=VB

VT

MONOPHASÉES BIPHASÉES

Rv = 0% Rv = 100% Rv faible Rv fort

TRIPHASÉES

L1+L2+V (CO2) S+L+V(saturées en sel)

POLYPHASÉES : L1+L2+S+VL+V+S1+S2etc.

CAS PARTICULIER(Fluide en ébullition)

LiquideVapeur

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Des images !!!Biphasée (L+V)

Monophasée (V)

Triphasée(L1+L2+V)

(inclusion richeen CO2)

Monophasée (V)(cristal négatif)

Polyphasées(L+V+nS)

Associationpolyphasée (L+S+V)et monophasée (V)

(Ebullition)

2D versus 3D

Toutes ces inclusions ont un Rv de 10 % !!!

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Cathodoluminescence

Cathodoluminescence

26

3. METHODES D’ETUDE

3.2. Microthermométrie

Simulations des équilibres de phasesEtat conservationInclusions fluidessynthétiques

Analogique

ConcentrationsLA OES+ ablation

ConcentrationsLA ICP-MSSpectroscop.

ConcentrationsSynchrotron

ConcentrationsPIXE-PIGE

Molécules org.Infra-rouge

Gaz, minéraux,hydrates

RamanSpectroscop.

Concentrationsespèces dissoutes

EcrasementGlobal

Minéraux inclusM.E.B.

Densités partielleset totale

Concentrations deséléments majeurs

Microthermométrie

Densité des huilesHydrocarburesFluorescence UV

SurcroissancesChronologies

Cathodoluminescence

RvPrésence de CO2ParagénèsesTypologie

MicroscopieOptique

DensitéCompositionPétrographieInformationsMéthodeGroupe

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Microthermométrie

•Observations des transitions de phasesentre -200°C et +700°C

•Deux étapes :•cryométrie : <25°C•thermométrie : >25°C

•Interpréter les températures dechangements de phases en compositionet/ou densité

Observation des transitions de phases sous lemicroscope entre -200 et +700oC

Schémad ’appareillage

N2 liquide

N2 gaz

air comprimé

50x

Condenseur

150.5°C

Microthermétrie (principe)

28

Microthermométrie

Mesure des températures de changements dephases sous le microscope (-200 à +700°C)

Laboratoire Universitéde Lille

3. METHODES D’ETUDE

3.3. Microspectrométrie Raman

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Simulations des équilibres de phasesEtat conservationInclusions fluidessynthétiques

Analogique

ConcentrationsLA OES+ ablation

ConcentrationsLA ICP-MSSpectroscop.

ConcentrationsSynchrotron

ConcentrationsPIXE-PIGE

Molécules org.Infra-rouge

Gaz, minéraux,hydrates

RamanSpectroscop.

Concentrationsespèces dissoutes

EcrasementGlobal

Minéraux inclusM.E.B.

Densités partielleset totale

Concentrations deséléments majeurs

Microthermométrie

Densité des huilesHydrocarburesFluorescence UV

SurcroissancesChronologies

Cathodoluminescence

RvPrésence de CO2ParagénèsesTypologie

MicroscopieOptique

DensitéCompositionPétrographieInformationsMéthodeGroupe

Raman

EchantillonSource

Spectromètre

Lumière monochromatique

Fréquence ν0Intensité I0

Diffusion de RayleighFréquence ν0Intensité 10-3 I0

Diffusion RamanFréquence ν0+Δ0Intensité 10-6 I0

Lumière transmise

Lumière diffusée

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Composants détectés

Constituants détectés par le Raman :•espèces moléculaires :

•H2O, CO2, CH4, N2, …•ions polyatomiques

•CO32-, SO4

2-, …•hydrates :

•hydrates de sel•hydrates de gaz (clathrates)

•tout minéral inclus (sauf sels)

Avantages et désavantages

•Spectres étroits ⇒ bonne identitication •Spectre caractéristique par espèce•Analyse quantitative (dans certains cas)•Spots de 2 µm•Aucune préparation spécifique

•Faible intensité de l'effet Raman•Fluorescence•Décomposition des espèces lors des analyses•Pénétration réduite•Pas de détection des espèces ioniques

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Exemples de spectres Raman

Methodology

Vapor

Laser beam(green, 532 nm)

Host mineral Liquid

(Vapor)

Blank(host mineral)

Host mineral(thin section)

The spectrum obtained is a combination of peaks of all phases

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Exemple d’analyse Raman

Exemple (1)

Minéral-hôte = quartz

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Exemple (2)

Minéral-hôte + liquide (eau)

Exemple (3)

Minéral-hôte + vapeur (CO2+CH4)

CO2

CH4

N2

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3. METHODES D’ETUDE

3.4. Méthodes d’analyse ponctuelle

Photo of laser ablation experiments

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Laser ablation : limits

Effect of temperatureEffect of matrixElement partitioningDetection limits : require large inclusionsMain problem : the geometry of the inclusion and

the beam are not knownImpossible to give absolute compositionsConcentrations ratios (relative to e.g. Na+) can be

determinedRequires an absolute parameter to calculate the

absolute concentration of Na+

3. METHODES D’ETUDE

3.5. Vers une approche intégrée

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Vers une analyse intégrée (1)

Composition de laphase vapeur

Paramètresmicrothermométriques

Rapportscationiques :

Na/K, Na/Ca, Na/Li

Rapportvolumique Rv

TfG / TfclChoix dessystèmes

eau-sel

Composition totalede l'inclusion (eau ,sels, gaz)

Densité totale

Contenu en gazDensité phase vap.

SalinitésDensité phase aq.

RamanEcrasementPIXE-PIGELA + ICP-MS/OES

Microthermométrie