Fluides hydrothermaux océaniques

Fluideshydrothermauxocéaniques
Jean-Luc Charlou, Jean-Pierre Donval
Prélèvementdefluideavecunebouteilletitane
©Ifremer / Serpentine 2007
Lacirculationhydrothermaleseproduitlelongdesdorsalesmédio-océaniques,chaînevolcaniquecontinuequis'étendsurenviron60000kilomètres,lorsquel'eaudemer
s'infiltreautraversdelacroûteocéaniquefracturée.Cettestructureperméabledelacroûteocéaniqueassociéeàlaprésenced'unesourcedechaleurprofondepermetla
circulationhydrothermaledel'eaudemerautraversdusubstratum.Leprocessusdecirculationhydrothermalesefaitalorsentroisétapes.
L'eaufroidepénètredanslacroûte(phasederecharge),estprogressivementréchauffée.Leséchangesaveclarochecommencentavecmodificationdelacomposition
chimique.Lefluides'appauvritenmagnésiumetsulfateets'enrichitenhydrogènesulfuré.Lefluideatteintensuitesatempératuremaximumauniveaudelazonederéaction
dehautetempérature,prochedelachambremagmatique.Danscesconditions,lacompositiondufluideestfortementinfluencéeparlatempérature,lapression,lerapport
eau/roche,lanaturedelarocheattaquéeetletempsderéaction.
Lefluidedehautetempératureremonteensuitetrèsrapidementdemanièreadiabatique(phasededécharge)encontinuantàinteragiraveclaroche.
Progressivement,lefluideserefroiditlentementparconductionetparmélangeavecdel'eaudemerplusfroideàproximitédelasurfaceinfluençantsacompositionfinale.
Endépitdeleurapparencesimilaire,lesfluideshydrothermauxcouvrentunelargegammedetempératuresetsecaractérisentpardescompositionschimiquestrèsvariées,
fonctiondesconditionsderéaction.
Toutletravaildugéochimisteconsisteàprélevercesfluidesdehautetempérature,analyserleurcompositionchimiqueàleurémissionsurleplancherocéanique,età
reconstruireleurhistoireaucoursdelacirculationhydrothermaleafindecomprendrelesprocessusthermodynamiquesetgéochimiquesquilescontrôlentaucoursdu
transitautraversdelacroûteocéanique.
Pourquoiétudierlesfluideshydrothermaux?
Dupointdevuedel'océanographiechimique,ilestimportantdesavoirquelleestl'influencedesfluideshydrothermauxsurlecycledesélémentsdansl'océan,etplus
généralementsurlachimieglobaledesocéansàcourtetlongterme.Dupointdevuedel'océanographiebiologique,ontrouvesurceséventshydrothermauxdenouveaux
écosystèmessedéveloppantparchimiosynthèse.
Dansceprocessus,l'ensembledesélémentsvitauxsontapportésparlefluide(soufre,méthane,hydrogène,hydrogènesulfuréetautresélémentsmétalliques).Lesfluxde
matièreetd'énergieapportésparlesfluidesjouentaussiunrôleimportantdupointdevuedu"bilanchimiquedesocéans".D'unpointdevuegéologique,lachimiedes
fluidescontribueàestimerlaprofondeurdelachambremagmatique,àmieuxcomprendrelaformationdelanouvellecroûteocéaniqueetlaformationdesdépôtssulfurés
massifs.
Commentdécouvrircesfluideshydrothermaux?
Leséventshydrothermauxsontlocaliséssurdessitesplusoumoinsgrands,d'environ200par200mètres.Plusieurstechniquescomplémentairescontribuentàleur
découverte.
Lescampagnesdesurfaceassociantlabathymétrie,laphotographiedufond,larecherched'anomaliesphysiquesetchimiquesdanslacolonned'eauàl'aidedecapteurset
prélèvementsd'eaux,permettentdedélimiterleszones.
Ensuite,lessubmersiblesetvéhiculestélé-opérés(ROV)permettentlalocalisationprécisedeséventsetleurétudein situdétaillée.
Commentprélevercesfluidesdehautetempératureàleurémissionsurleplancherocéanique?
Cetravailprécisnepeutdoncsefairequ'àl'aidedesubmersibleset/ouROV,enutilisantdessystèmesdeprélèvementsspécialementconçusàceteffet.Diverssystèmes
existentmaintenant,tousbaséssurdesprincipesd'aspirationsimple(typeseringue)ouparpompage.Lefluideétantàunetempératuredel'ordrede350-400°C,des
seringuesentitane(photoduhaut)sontcourammentutilisés.Legéochimistedoitconditionnercespréleveursavantchaqueplongée.
LesubmersibleouleROVsechargeduprélèvementenprofondeurdansleszonesactivesétudiées.Auretoursurlenavire,lefluideprécieuxestrécupéré.Commence
alorsunlongtravaildeconditionnementdesgazetd'analyseàbord(photoci-dessous).
Aprèsqualificationdeséchantillons,lesgaz(H2, CH4, CO2...)sontextraitsàl'aided'unextracteurdegaz,récupérésetanalysésàbordàl'aided'appareilsanalytiques
installésdansuncontainerlaboratoireembarqué.Certainsélémentsminéraux(Mg,SO4,Cl)sontaussianalysésàbord.
Danscesfluides,certainsélémentssontenrichis,d'autresappauvrisparrapportàl'eaudemer.Denombreuxconditionnementsspécifiquessontaussiréaliséspour
l'analyseàterredesélémentstraces,lesanalysesisotopiquesetlarecherchedesmoléculesorganiquesprésentes(hydrocarbures,acidescarboxyliques,acidesaminés...).
Lacompositionchimiqued'unfluidesortantsurleplancherocéaniqueestunenregistrementdesconditionsdepressionetdetempératureetdel'ensembledesréactions
chimiquesqu'ilasubidurantsontransitdanslacroûteocéaniquefracturée.
L'ensembledecesdonnéesinformesurlaprofondeurdelacirculationhydrothermaledanslesubstratum,surletempsderésidence,etcontribueàcomprendrelemodede
formationdesdépôtsmétalliquessulfurésassociés.
Bref,toutunensembledeconditionnementsetd'analysesquipermettentd'établirlasignaturechimiquedufluide,deconnaîtresonhistoireautraversdelacroûte
océanique,d'évaluerlesconséquencesdecesfluxsurlemilieuenvironnant.
Conditionnementdesgazetanalyseàbord
©Ifremer / Serpentine 2007 / Jean-Luc Charlou
Quelssontlesprocessusquicontrôlentlacompositionchimiquedesfluides?
Lesfluideshydrothermauxsontémissousformed'éventsdehautetempérature(350à400°C)etsousformedediffusionsdebassetempérature(dequelquesdizainesde
degrés).Letauxderéactiondel'eaudemeraveclarocheserad'autantplusfortquelatempératureestélevée.Ilestmaintenantadmis,auvudestravauxexpérimentaux
etdesrésultatsdemodélisationthermodynamique,qu'auniveaudelazonederéaction,l'équilibreentrel'eauetlesminérauxdesrochesestatteint.
Leprocessusdeséparationdephasesintervientdèslorsquelefluidesalésetrouvesoumisàdefortespressionsettempératures.Noussavonsquelepointcritiquede
l'eaudemerestcaractériséeparunepressionde298barsetunetempératurede405°C.Selonquel'onsetrouveplushautouplusbasquecesvaleurs,onauraunfluide
classéendomainesubcritiqueouunfluideclasséendomainesupercritique,etdansces2domaines,lefluideauradespropriétésthermodynamiquesetchimiquestrès
différentes.
Ainsi,desfluidesauxcompositionstrèsvariéesontétécollectésàcejoursurlesdorsalesmédio-océaniques(Pacifique,Atlantique,Indien),etce,àdifférentes
profondeursdequelquescentainesdemètresàplusde4000mètres,tellesiteAshaze,sitehydrothermalleplusprofondconnuàcejour,étudiéetéchantillonnéavec
succèsaucoursdecettecampagne.
Cesfluideshydrothermauxévoluent-ils dans le temps ?
Danslesannées1975,peuaprèsleurpremièredécouvertesurladorsaledesGalapagos,onconsidéraitquecesfluidesdevaientavoirunecompositionrelativementstable.
Depuis,grâceàladécouverteprogressivedenouveauxsitesactifsdansdesconditionsd'émissionvariésetdesenvironnementstectoniquesetgéologiquesdifférents,ilest
maintenantcertainquelesfluideshydrothermauxprésententdescompositionschimiquestrèsvariables,qu'ellespeuventchangerd'unezoneàuneautreoumêmed'un
éventàunautresurunmêmesite,etqu'ellespeuventresterstablessurdespériodesplusoumoinslongues(échelledeladizained'années)ouévoluerlentementou
brutalement dans le temps.
Ilssontcontrôlésparl'activitétectoniqueetvolcaniquequipeuventfairevarieretfaireévoluerleurcomposition.Ilestclairqueleséruptionsvolcaniques,lestremblements
deterreontdesconséquencesdramatiquesetuneincidencesurlatempérature,lacompositionchimique,créantlesfluxdematièreetd'énergierejetésplusoumoins
fortement dans la colonne d'eau environnante.
Ainsi,enunsiteactifdonné,lacompositionchimiqued'unfluidepeutvariersousl'influencedesvariationsthermodynamiquestellelaséparationdephasecontrôléeparla
pressionetlatempérature,d'épisodestectoniquesetvolcaniques,ouresterstabledurantunelonguepériode,favorisantdanscecasl'installationprogressived'habitatsde
communautésbiologiquesetbactériennessedéveloppantparchimiosynthèse.
Onsaitquesurlesdorsalesàtauxd'accrétionélevé(>12cm/an,casdeladorsaleEstPacifique),lesmouvementslentsprogressifsmenantàunefracturationdelacroûte
associésauxévénementsmagmatiquesbrutauxfontvariertrèsrapidementlacompositiondesfluidesdérivésicid'uneréactionentrel'eaudemeretlacroûtebasaltique.
Parcontre,surlesdorsaleslentescommeladorsalemédio-Atlantique,lesfluidesétantdavantagecontrôlésparlesmouvementstectoniques,auronttendanceàresterplus
stablesdansletemps.Maisl'eaudemer,endescendantplusenprofondeur,vaatteindreetpouvoirréagiraveclesroches(péridotites)dumanteauetdonnerlieuàla
réactionditede"serpentinisation"enproduisantdesfluidesdecompositiontrèsoriginale.
UndesobjectifsdelacampagneSerpentinequivaexplorerlessitesAshazeà12°58'NetLogachevà14°45'N,estd'étudierleprocessusdeserpentinisationetson
influencesurlagéochimiedesfluides.

Fluideshydrothermauxocéaniques
Jean-Luc Charlou, Jean-Pierre Donval
Prélèvementdefluideavecunebouteilletitane
©Ifremer / Serpentine 2007
Lacirculationhydrothermaleseproduitlelongdesdorsalesmédio-océaniques,chaînevolcaniquecontinuequis'étendsurenviron60000kilomètres,lorsquel'eaudemer
s'infiltreautraversdelacroûteocéaniquefracturée.Cettestructureperméabledelacroûteocéaniqueassociéeàlaprésenced'unesourcedechaleurprofondepermetla
circulationhydrothermaledel'eaudemerautraversdusubstratum.Leprocessusdecirculationhydrothermalesefaitalorsentroisétapes.
L'eaufroidepénètredanslacroûte(phasederecharge),estprogressivementréchauffée.Leséchangesaveclarochecommencentavecmodificationdelacomposition
chimique.Lefluides'appauvritenmagnésiumetsulfateets'enrichitenhydrogènesulfuré.Lefluideatteintensuitesatempératuremaximumauniveaudelazonederéaction
dehautetempérature,prochedelachambremagmatique.Danscesconditions,lacompositiondufluideestfortementinfluencéeparlatempérature,lapression,lerapport
eau/roche,lanaturedelarocheattaquéeetletempsderéaction.
Lefluidedehautetempératureremonteensuitetrèsrapidementdemanièreadiabatique(phasededécharge)encontinuantàinteragiraveclaroche.
Progressivement,lefluideserefroiditlentementparconductionetparmélangeavecdel'eaudemerplusfroideàproximitédelasurfaceinfluençantsacompositionfinale.
Endépitdeleurapparencesimilaire,lesfluideshydrothermauxcouvrentunelargegammedetempératuresetsecaractérisentpardescompositionschimiquestrèsvariées,
fonctiondesconditionsderéaction.
Toutletravaildugéochimisteconsisteàprélevercesfluidesdehautetempérature,analyserleurcompositionchimiqueàleurémissionsurleplancherocéanique,età
reconstruireleurhistoireaucoursdelacirculationhydrothermaleafindecomprendrelesprocessusthermodynamiquesetgéochimiquesquilescontrôlentaucoursdu
transitautraversdelacroûteocéanique.
Pourquoiétudierlesfluideshydrothermaux?
Dupointdevuedel'océanographiechimique,ilestimportantdesavoirquelleestl'influencedesfluideshydrothermauxsurlecycledesélémentsdansl'océan,etplus
généralementsurlachimieglobaledesocéansàcourtetlongterme.Dupointdevuedel'océanographiebiologique,ontrouvesurceséventshydrothermauxdenouveaux
écosystèmessedéveloppantparchimiosynthèse.
Dansceprocessus,l'ensembledesélémentsvitauxsontapportésparlefluide(soufre,méthane,hydrogène,hydrogènesulfuréetautresélémentsmétalliques).Lesfluxde
matièreetd'énergieapportésparlesfluidesjouentaussiunrôleimportantdupointdevuedu"bilanchimiquedesocéans".D'unpointdevuegéologique,lachimiedes
fluidescontribueàestimerlaprofondeurdelachambremagmatique,àmieuxcomprendrelaformationdelanouvellecroûteocéaniqueetlaformationdesdépôtssulfurés
massifs.
Commentdécouvrircesfluideshydrothermaux?
Leséventshydrothermauxsontlocaliséssurdessitesplusoumoinsgrands,d'environ200par200mètres.Plusieurstechniquescomplémentairescontribuentàleur
découverte.
Lescampagnesdesurfaceassociantlabathymétrie,laphotographiedufond,larecherched'anomaliesphysiquesetchimiquesdanslacolonned'eauàl'aidedecapteurset
prélèvementsd'eaux,permettentdedélimiterleszones.
Ensuite,lessubmersiblesetvéhiculestélé-opérés(ROV)permettentlalocalisationprécisedeséventsetleurétudein situdétaillée.
Commentprélevercesfluidesdehautetempératureàleurémissionsurleplancherocéanique?
Cetravailprécisnepeutdoncsefairequ'àl'aidedesubmersibleset/ouROV,enutilisantdessystèmesdeprélèvementsspécialementconçusàceteffet.Diverssystèmes
existentmaintenant,tousbaséssurdesprincipesd'aspirationsimple(typeseringue)ouparpompage.Lefluideétantàunetempératuredel'ordrede350-400°C,des
seringuesentitane(photoduhaut)sontcourammentutilisés.Legéochimistedoitconditionnercespréleveursavantchaqueplongée.
LesubmersibleouleROVsechargeduprélèvementenprofondeurdansleszonesactivesétudiées.Auretoursurlenavire,lefluideprécieuxestrécupéré.Commence
alorsunlongtravaildeconditionnementdesgazetd'analyseàbord(photoci-dessous).
Aprèsqualificationdeséchantillons,lesgaz(H2, CH4, CO2...)sontextraitsàl'aided'unextracteurdegaz,récupérésetanalysésàbordàl'aided'appareilsanalytiques
installésdansuncontainerlaboratoireembarqué.Certainsélémentsminéraux(Mg,SO4,Cl)sontaussianalysésàbord.
Danscesfluides,certainsélémentssontenrichis,d'autresappauvrisparrapportàl'eaudemer.Denombreuxconditionnementsspécifiquessontaussiréaliséspour
l'analyseàterredesélémentstraces,lesanalysesisotopiquesetlarecherchedesmoléculesorganiquesprésentes(hydrocarbures,acidescarboxyliques,acidesaminés...).
Lacompositionchimiqued'unfluidesortantsurleplancherocéaniqueestunenregistrementdesconditionsdepressionetdetempératureetdel'ensembledesréactions
chimiquesqu'ilasubidurantsontransitdanslacroûteocéaniquefracturée.
L'ensembledecesdonnéesinformesurlaprofondeurdelacirculationhydrothermaledanslesubstratum,surletempsderésidence,etcontribueàcomprendrelemodede
formationdesdépôtsmétalliquessulfurésassociés.
Bref,toutunensembledeconditionnementsetd'analysesquipermettentd'établirlasignaturechimiquedufluide,deconnaîtresonhistoireautraversdelacroûte
océanique,d'évaluerlesconséquencesdecesfluxsurlemilieuenvironnant.
Conditionnementdesgazetanalyseàbord
©Ifremer / Serpentine 2007 / Jean-Luc Charlou
Quelssontlesprocessusquicontrôlentlacompositionchimiquedesfluides?
Lesfluideshydrothermauxsontémissousformed'éventsdehautetempérature(350à400°C)etsousformedediffusionsdebassetempérature(dequelquesdizainesde
degrés).Letauxderéactiondel'eaudemeraveclarocheserad'autantplusfortquelatempératureestélevée.Ilestmaintenantadmis,auvudestravauxexpérimentaux
etdesrésultatsdemodélisationthermodynamique,qu'auniveaudelazonederéaction,l'équilibreentrel'eauetlesminérauxdesrochesestatteint.
Leprocessusdeséparationdephasesintervientdèslorsquelefluidesalésetrouvesoumisàdefortespressionsettempératures.Noussavonsquelepointcritiquede
l'eaudemerestcaractériséeparunepressionde298barsetunetempératurede405°C.Selonquel'onsetrouveplushautouplusbasquecesvaleurs,onauraunfluide
classéendomainesubcritiqueouunfluideclasséendomainesupercritique,etdansces2domaines,lefluideauradespropriétésthermodynamiquesetchimiquestrès
différentes.
Ainsi,desfluidesauxcompositionstrèsvariéesontétécollectésàcejoursurlesdorsalesmédio-océaniques(Pacifique,Atlantique,Indien),etce,àdifférentes
profondeursdequelquescentainesdemètresàplusde4000mètres,tellesiteAshaze,sitehydrothermalleplusprofondconnuàcejour,étudiéetéchantillonnéavec
succèsaucoursdecettecampagne.
Cesfluideshydrothermauxévoluent-ils dans le temps ?
Danslesannées1975,peuaprèsleurpremièredécouvertesurladorsaledesGalapagos,onconsidéraitquecesfluidesdevaientavoirunecompositionrelativementstable.
Depuis,grâceàladécouverteprogressivedenouveauxsitesactifsdansdesconditionsd'émissionvariésetdesenvironnementstectoniquesetgéologiquesdifférents,ilest
maintenantcertainquelesfluideshydrothermauxprésententdescompositionschimiquestrèsvariables,qu'ellespeuventchangerd'unezoneàuneautreoumêmed'un
éventàunautresurunmêmesite,etqu'ellespeuventresterstablessurdespériodesplusoumoinslongues(échelledeladizained'années)ouévoluerlentementou
brutalement dans le temps.
Ilssontcontrôlésparl'activitétectoniqueetvolcaniquequipeuventfairevarieretfaireévoluerleurcomposition.Ilestclairqueleséruptionsvolcaniques,lestremblements
deterreontdesconséquencesdramatiquesetuneincidencesurlatempérature,lacompositionchimique,créantlesfluxdematièreetd'énergierejetésplusoumoins
fortement dans la colonne d'eau environnante.
Ainsi,enunsiteactifdonné,lacompositionchimiqued'unfluidepeutvariersousl'influencedesvariationsthermodynamiquestellelaséparationdephasecontrôléeparla
pressionetlatempérature,d'épisodestectoniquesetvolcaniques,ouresterstabledurantunelonguepériode,favorisantdanscecasl'installationprogressived'habitatsde
communautésbiologiquesetbactériennessedéveloppantparchimiosynthèse.
Onsaitquesurlesdorsalesàtauxd'accrétionélevé(>12cm/an,casdeladorsaleEstPacifique),lesmouvementslentsprogressifsmenantàunefracturationdelacroûte
associésauxévénementsmagmatiquesbrutauxfontvariertrèsrapidementlacompositiondesfluidesdérivésicid'uneréactionentrel'eaudemeretlacroûtebasaltique.
Parcontre,surlesdorsaleslentescommeladorsalemédio-Atlantique,lesfluidesétantdavantagecontrôlésparlesmouvementstectoniques,auronttendanceàresterplus
stablesdansletemps.Maisl'eaudemer,endescendantplusenprofondeur,vaatteindreetpouvoirréagiraveclesroches(péridotites)dumanteauetdonnerlieuàla
réactionditede"serpentinisation"enproduisantdesfluidesdecompositiontrèsoriginale.
UndesobjectifsdelacampagneSerpentinequivaexplorerlessitesAshazeà12°58'NetLogachevà14°45'N,estd'étudierleprocessusdeserpentinisationetson
influencesurlagéochimiedesfluides.