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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)
Formation des inclusions (2)
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Formation des inclusions (3)
Formation des inclusions (4)
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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
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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)
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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