Les fluides naturels Les inclusions...

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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)

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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)

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Formation des inclusions (1)


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P

S

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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


3.1. Microscopies

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Analogique







RamanSpectroscop.


EcrasementGlobal




Microthermométrie



Cathodoluminescence


MicroscopieOptique


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

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3.2. Microthermométrie


Analogique







RamanSpectroscop.


EcrasementGlobal




Microthermométrie



Cathodoluminescence


MicroscopieOptique


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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)

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Microthermométrie

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

Laboratoire Universitéde Lille


3.3. Microspectrométrie Raman

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Analogique







RamanSpectroscop.


EcrasementGlobal




Microthermométrie



Cathodoluminescence


MicroscopieOptique


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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3.4. 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+


3.5. 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

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