Résumé

Résumé
L’altération hydrothermale d’une péridotite océanique conduit à une profonde
transformation minéralogique appellé « processus de serpentinisation ». Durant ce processus, le
Fe2+ initialement contenu dans les olivines et/ou les pyroxènes peut s’oxyder en Fe3+ en
incorporant des phases nouvellement formées comme la serpentine et la magnétite. L’hydrolyse
de l’eau associée à cette réaction entraine la production de grandes quantités d’hydrogène. Au
niveau des dorsales océaniques, de fortes concentrations en hydrogène et hydrocarbures ont été
récemment mises en évidence sur quelques sites hydrothermaux d’un genre nouveau, tous situés
dans un contexte ultrabasique. Dans le but de comprendre les processus contrôlant l’altération
hydrothermale des péridotites, et en particulier la production d’hydrogène dans ce type de
contexte, nous avons couplé des expériences de serpentinisation in-situ à des simulations
thermodynamiques. Les produits de synthèse obtenus dans nos expériences ont été caractérisés à
l’aide de différents outils spectroscopiques, principalement par absorption des rayons X en
synchrotron. Nous avons ainsi développé plusieurs protocoles expérimentaux permettant d’une
part de quantifier les proportions des phases minérales, mais aussi de déterminer la distribution et
la spéciation du fer dans nos échantillons altérés. Nos expériences montrent que la cinétique de
serpentinisation est fortement dépendante des conditions physico-chimiques (température,
rapport eau/roche, état structurel et composition chimique de protolithe) présentes dans le milieu
naturel. Parallèlement, ces travaux indiquent que les rôles joués par la serpentine et la magnétite
dans la production d’hydrogène évoluent suivant la température mais changent également
fortement au cours de la réaction. Ces résultats, affinés par des modélisations numériques, ont été
replacés dans un cadre naturel, dans le but de déterminer les différents processus se produisant le
long d’un trajet P-T hydrothermal. Il apparait ainsi que l’essentiel de la réaction de
serpentinisation s’effectue principalement sur le trajet « prograde » avec une production maximale
d’hydrogène située autour de 275°C. Enfin, et grâce aux gradients de température estimés dans ce
type de contexte, nous avons pu déterminer la taille et la géométrie probable d’un site
hydrothermal comme celui de « Rainbow ».
Mots clefs : hydrogène, hydrothermalisme, serpentinisation, XANES.
Abstract
The hydrothermal alteration of a natural peridotite leads to a strong mineralogical change socalled “serpentinization process”. During this process, the Fe2+ initially contained in olivines
and/or pyroxenes can be oxidized in Fe3+ incorporated in new mineral phases like serpentine or
magnetite. This reaction conducts to the hydrolysis of water and therefore produces high amount
of hydrogen. In the mid-ocean ridges, high concentrations of hydrogen and hydrocarbons have
recently been measured on new type hydrothermal fields, always located on ultramafic rocks.
With the aim to better understand the processes controlling the hydrothermal alteration of
peridodites, and in particular the related hydrogen production, in-situ experiment of
serpentinization were coupled with thermodynamic calculations. The altered products were
characterized using different spectroscopic tools, particularly by X-ray absorption analysis in 3rd
generation synchrotrons. Several experimental protocol were thus developed allowing to
accurately quantify the phase proportions, the iron distribution, and the iron speciation in the
altered samples. Experiments display that the serpentinization kinetic is highly dependent from
the physico-chemical conditions (temperature, water-to-rock ratio, structural state and chemical
composition of the protolith) inferred in the natural environment. In parallel, our work shows
that the roles play by both serpentine and magnetite evolves as function of temperature but as
well changes along the alteration process. These results were coupled with the numerical
simulations to be replaced in a natural context determining the different processes encountered
along a P-T hydrothermal pathway. As a result, the serpentinization reaction is mainly effective
during the “prograde” pathway and the maximum hydrogen production occurs around 275°C.
Finally; based on the thermal gradients inferred in such contexts, the size and the geometry of the
“Rainbow” hydrothermal field were defined.
Keywords : hydrogen, hydrothermalism, serpentinization, XANES.