Diaporama n°1 - Université Lille 1

Les fluides naturels
Les inclusions fluides
Michel Dubois
Université de Lille 1
Laboratoire Génie Civil et géo-Environnement
Plan du cours
1.
2.
3.
4.
Les fluides naturels
Les inclusions fluides
Principales méthodes d’étude
Relations de phases dans les systèmes
fluides
1.
2.
3.
4.
Systèmes unaires
Systèmes eau-sels
Systèmes eau-gaz
Systèmes eau-hydrocarbures
5. Approche thermodynamique
6. Applications aux problèmes
1
1. FLUIDES NATURELS
1.1. Les grands réservoirs
de fluides naturels
Les grands types de fluides
Robb (2005)
2
Eau de mer
Océans = le plus grand réservoir (98 %)
Issus du dégazage du manteau
Forte charge en sels :
35 g sels/litre d’eau
Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3-, SO42-
Eaux
météoriques
Eaux de pluie (+lacs+rivières) infiltrées
dans les roches
Porosité des roches + fractures
Salinité basse (~ 0)
3
Eaux de
formation
(Formation waters)
Origines multiples :
eau intégrée au sédiment
eau météorique ayant interagi avec roches
eau issue de la déshydratation
↑ salinité, densité et température avec z
Fluides
métamorphiques
Vers ~200°C, passage au métamophisme
Trajet prograde :
déshydratation, décarbonatations
H2O, CO2, N2, CH4, H2S
salinité faible
Zonation de la composition chimique
4
Fluides
magmatiques
Présence de volatils dans les magmas :
H2O, CO2, S
Exsolution des fluides hors du magma
ébullition primaire
ébullition secondaire
Salinités variables, riche en SiO2
1. FLUIDES NATURELS
1.2. Signature isotopique
de fluides naturels
5
Les isotopes de l’hydrogène
L'hydrogène :
•élément omniprésent (H2 O, CH4 , manteau, …)
•possède 3 isotopes :
•1 H =
99,98%
2
• H (deutérium) =
0,01%
•3H (tritium) est radioactif (12,5 ans)
•le plus léger des éléments et celui dont le
contraste de masse entre deux isotopes est le
plus grand
•Variations : entre -350 et +50 ‰
Les isotopes des roches
Eaux météoriques
Eau océanique
Roches sédimentaires
Roches ignées
et métamorphiques
δD (‰)
6
Les isotopes de l'oxygène
L'oxygène :
•élément le plus abondant sur la Terre
•possède 3 isotopes :
•16O =
99,763 %
•17O =
0,037 %
18
• O =
0,199%
•On utilise le δ18O
•Variations : entre -40 et +40 ‰
Les isotopes de l'oxygène
7
Le rapport isotopique
Le rapport isotopique d’un échantillon est le
rapport de la concentration de l’isotope lourd sur
celle de l’isotope léger
R=
[isotope lourd]
[isotope léger]
•Rapport [2H]/[1H] dans l’eau de mer :
16.10-5
•Rapport [18O]/[16O] dans l’eau de mer :
0,002
aux hautes latitudes : 0,0194
!
⇒ Les variations sont très faibles !!!
Notation δ et standards
internationaux
•notation δ
%R
$ Rs tan dard (
" = 1000 # ' échantillon
*
Rs tan dard
&
)
Elt
O
H
Couple
18O
-
δ
16O
L'unité est le
"pour mille" (‰)
Standard international
δ18O
SMOW ("Standard Mean Ocean Water")
δD=δ2H
SMOW
12C
δ 13C
PDB (Pee Dee Belemnite, formation de
Caroline du Sud)
!2H - 1H*
C
13C
-
N
14N
/
13N
δ14N
atmosphère
S
34S
/
32S
δ 34S
troïlite (FeS) du Cañon Diablo
(Meteorite Crater, Arizona)
* appelé deutérium
8
Eaux souterraines
Les eaux souterraines et hydrothermales sont
marquées par la signature isotopique des roches
qu'elles traversent
+50
SMOW
Eaux de bassin
0
δD
-50
(‰)
-100
-150
-20
Eaux métamorphiques
Droite des
minéraux argileux
Interactions
fluide-roche
-10
0
+10
δ18O (‰)
Eau magmatique
primaire
+20
Les fluides sur Terre
9
2. LES INCLUSIONS FLUIDES
Principes généraux
et processus de formation
a. Principaux généraux
10
Les fluides géologiques
Principaux constituants :
eau : solvant principal
sels : NaCl, KCl, CaCl2…
hydrocarbures ± lourds
gaz : N2, CO2, H2S (réservoirs de gaz)
Origine :
fluides de formation
déshydratation, dégradation de la M.O.
fluides hydrothermaux
fluides magmatiques et métamorphiques
Inclusion fluide : définition
Vapeur
Liquide
Inclusion fluide : microcavité d’un minéral ayant
piégé un micro-volume homogène de fluide
présent dans le milieu à un moment de son
existence
11
Les postulats
La composition de la cavité est
inchangée depuis sa formation
Le volume de la cavité est
inchangé depuis sa formation
Le micro-volume de fluide piégé était
homogène au moment de la formation
des inclusions (une seule phase)
Signification thermodynamique
Une inclusion est :
un système fermé : pas d'échange de
matière avec l'extérieur
un système à volume constant (densité
constante)
12
2. Processus de formation
Les inclusions primaires
Minéral en cours
de cristallisation
Défaut cristallin
Phase fluide
13
Les inclusions secondaires
Roedder (1984)
Inclusions fluides secondaires
14
postérieures
Chronologie
relative
antérieures
Photo Goldstein (2003)
15
Formation des inclusions (1)
Formation des inclusions (2)
16
Formation des inclusions (3)
Formation des inclusions (4)
17
Formation des inclusions (5)
Formation des inclusions (6)
S
P
18
Formation des inclusions (7)
Contraction vapour bubbles
« Fluid inclusion assemblage » (FIA)
un « FIA » est défini comme la plus
petite association possible d’inclusions
représentant le plus petit intervalle de
temps de formation
Etabli à partir de l’observation
pétrographique
Chaque inclusion d’une « FIA » devrait
présenter les mêmes propriétés (P, T,
composition, t)
19
3. METHODES D’ETUDE
Préparation des échantillons
Echantillon
Lame mince
•Observation pétrographique
•Potentialités en inclusions
Inclusion fluide dans l’émeraude
(Photo Giuliani, Nancy)
Lame épaisse
150-200 µm
•Repérage des inclusions
•Typologie
Fragments de qques mm2
Minéraux étudiables :
•Tous minéraux transparents
•Pas les phyllosilicates
•Quelques minéraux « opaques »
20
Groupe
Méthode
Informations
Pétrographie
Composition
Densité
Optique
Microscopie
Paragénèses
Typologie
Présence de CO2
Rv
Cathodoluminescence
Surcroissances
Chronologies
Fluorescence UV
Hydrocarbures
Densité des huiles
Microthermométrie
Concentrations des
éléments majeurs
Densités partielles
et totale
M.E.B.
Minéraux inclus
Global
Ecrasement
Concentrations
espèces dissoutes
Spectroscop.
Raman
Gaz, minéraux,
hydrates
Infra-rouge
Molécules org.
PIXE-PIGE
Concentrations
Synchrotron
Concentrations
Spectroscop.
LA ICP-MS
Concentrations
+ ablation
LA OES
Analogique
Inclusions fluides
synthétiques
Concentrations
Etat conservation
Simulations des équilibres de phases
3. METHODES D’ETUDE
3.1. Microscopies
21
Groupe
Méthode
Informations
Pétrographie
Composition
Densité
Optique
Microscopie
Paragénèses
Typologie
Présence de CO2
Rv
Cathodoluminescence
Surcroissances
Chronologies
Fluorescence UV
Hydrocarbures
Densité des huiles
Microthermométrie
Concentrations des
éléments majeurs
Densités partielles
et totale
M.E.B.
Minéraux inclus
Global
Ecrasement
Concentrations
espèces dissoutes
Spectroscop.
Raman
Gaz, minéraux,
hydrates
Infra-rouge
Molécules org.
PIXE-PIGE
Concentrations
Synchrotron
Concentrations
Spectroscop.
LA ICP-MS
Concentrations
+ ablation
LA OES
Analogique
Inclusions fluides
synthétiques
Concentrations
Etat conservation
Simulations des équilibres de phases
Typologie des inclusions
•Description des inclusions observées à
température ambiante :
•Forme
•Taille
•Nombre de phases :
•vapeur
•liquide (1 ou 2)
•solide (nombre illimité)
22
Le remplissage vapeur (Rv)
L’existence de la bulle est liée à la différence de
compressibilité entre minéral-hôte et fluide
Volume de la cavité (VT)
Volume de la bulle (VB)
RV =
V
RV = B
VT
!
!
Liquide
Vapeur
Typologie
MONOPHASÉES
Rv = 0%
Rv = 100%
TRIPHASÉES
VB
VT
BIPHASÉES
Rv faible
Rv fort
CAS PARTICULIER
(Fluide en ébullition)
L1+L2+V (CO2)
S+L+V
(saturées en sel)
POLYPHASÉES : L1+L2+S+V
L+V+S1+S2
etc.
23
Biphasée (L+V)
Des images !!!
Triphasée
(L1+L2+V)
(inclusion riche
en CO2)
Monophasée (V)
(cristal négatif)
Polyphasées
(L+V+nS)
Association
polyphasée (L+S+V)
et monophasée (V)
(Ebullition)
Monophasée (V)
2D versus 3D
Toutes ces inclusions ont un Rv de 10 % !!!
24
Cathodoluminescence
Cathodoluminescence
25
3. METHODES D’ETUDE
3.2. Microthermométrie
Groupe
Optique
Méthode
Informations
Pétrographie
Composition
Densité
Microscopie
Paragénèses
Typologie
Présence de CO2
Rv
Cathodoluminescence
Surcroissances
Chronologies
Fluorescence UV
Hydrocarbures
Densité des huiles
Microthermométrie
Concentrations des
éléments majeurs
Densités partielles
et totale
M.E.B.
Minéraux inclus
Global
Ecrasement
Concentrations
espèces dissoutes
Spectroscop.
Raman
Gaz, minéraux,
hydrates
Infra-rouge
Molécules org.
PIXE-PIGE
Concentrations
Synchrotron
Concentrations
Spectroscop.
LA ICP-MS
Concentrations
+ ablation
LA OES
Analogique
Inclusions fluides
synthétiques
Concentrations
Etat conservation
Simulations des équilibres de phases
26
Microthermométrie
•Observations des transitions de phases
entre -200°C et +700°C
•Deux étapes :
•cryométrie : <25°C
•thermométrie : >25°C
•Interpréter les températures de
changements de phases en composition
et/ou densité
Microthermétrie (principe)
Observation des transitions de phases sous le
microscope entre -200 et +700oC
50x
150.5°C
N2 gaz
N2 liquide
air comprimé
Schéma
d ’appareillage
Condenseur
27
Microthermométrie
Mesure des températures de changements de
phases sous le microscope (-200 à +700°C)
Laboratoire Université
de Lille
3. METHODES D’ETUDE
3.3. Microspectrométrie Raman
28
Groupe
Méthode
Informations
Pétrographie
Composition
Densité
Optique
Microscopie
Paragénèses
Typologie
Présence de CO2
Rv
Cathodoluminescence
Surcroissances
Chronologies
Fluorescence UV
Hydrocarbures
Densité des huiles
Microthermométrie
Concentrations des
éléments majeurs
Densités partielles
et totale
M.E.B.
Minéraux inclus
Global
Ecrasement
Concentrations
espèces dissoutes
Spectroscop.
Raman
Gaz, minéraux,
hydrates
Infra-rouge
Molécules org.
PIXE-PIGE
Concentrations
Synchrotron
Concentrations
Spectroscop.
LA ICP-MS
Concentrations
+ ablation
LA OES
Analogique
Inclusions fluides
synthétiques
Concentrations
Etat conservation
Simulations des équilibres de phases
Raman
Lumière monochromatique
Source
Lumière transmise
Echantillon
Fréquence ν0
Intensité I0
Lumière diffusée
Spectromètre
Diffusion de Rayleigh
Fréquence ν0
Intensité 10-3 I0
Diffusion Raman
Fréquence ν0+Δ0
Intensité 10-6 I0
29
Composants détectés
Constituants détectés par le Raman :
•espèces moléculaires :
•H2O, CO2, CH4, N2, …
•ions polyatomiques
•CO32-, SO42-, …
•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
30
Exemples de spectres Raman
Methodology
Blank
(host mineral)
Laser beam
(green, 532 nm)
Host mineral
Liquid
(Vapor)
Vapor
Host mineral
(thin section)
The spectrum obtained is a combination of peaks of all phases
31
Exemple d’analyse Raman
Exemple (1)
Minéral-hôte = quartz
32
Exemple (2)
Minéral-hôte + liquide (eau)
Exemple (3)
Minéral-hôte + vapeur (CO2+CH4 )
CH4
CON2 2
33
3. METHODES D’ETUDE
3.4. Méthodes d’analyse ponctuelle
Photo of laser ablation experiments
34
Laser ablation : limits
Effect of temperature
Effect of matrix
Element partitioning
Detection limits : require large inclusions
Main problem : the geometry of the inclusion and
the beam are not known
Impossible to give absolute compositions
Concentrations ratios (relative to e.g. Na+) can be
determined
Requires an absolute parameter to calculate the
absolute concentration of Na+
3. METHODES D’ETUDE
3.5. Vers une approche intégrée
35
Vers une analyse intégrée (1)
Raman
Ecrasement
PIXE-PIGE
LA + ICP-MS/OES
Microthermométrie
Composition de la
phase vapeur
Paramètres
microthermométriques
TfG / Tfcl
Rapport
volumique Rv
Contenu en gaz
Densité phase vap.
Rapports
cationiques :
Na/K, Na/Ca, Na/Li
Choix des
systèmes
eau-sel
Salinités
Densité phase aq.
Composition totale
de l'inclusion (eau ,sels, gaz)
Densité totale
36