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Approche expérimentale (Millot et al., 2010)

4. Exemples d’applications : synthèse des principaux résultats

4.5. Approche expérimentale (Millot et al., 2010)

Dans cette partie, nous faisons la s th se de l’a ti le ui o e e les Antilles (Millot et al.,

2010b) en nous focalisant sur les résultats des expériences de laboratoire.

Da s le ut de d te i e l’a plitude du f a tio e e t isotopique du lithium pendant une

interaction eau/roche et la variation en fonction de la température, nous avons réalisé une

s ie d’e p ie es e la o atoi e. Ces e périences consistent à mesurer le fractionnement

isotopique du lithium entre une eau de mer et un basalte à différentes températures (25°,

75°, 200° et 250°C).

La roche choisie pour réaliser ces expériences est un basalte tholéitique du JGS (Japan

Geological Survey) : le basalte JB-2 dont la composition et la concentration en lithium sont

respectivement de 

7

Li = + . ‰ et . µg/g (voir une compilation des données dans

Carignan et al., 2007). L’eau de e choisie est le matériau de référence de l’IRMM (Institute

for Reference Materials and Measurements) : le BCR-403 (

7

Li = + . ‰ ± . , Li = .

mg/L, Millot et al., 2004).

Les expériences ont été menées avec un rapport eau/roche de 10 et une eau de mer diluée à

% a e de l’eau ult apu e H

2

O Milli-Q) dans le but de reproduire les conditions naturelles

qui prévalent dans le champ géothermal de Bouillante.

La durée de ces expériences est très variable (Millot et al., 2010b), de uel ues jou s jus u’à

plusieurs mois en fonction de la cinétique de réaction. La variation de la concentration et de

la composition isotopique du lithium ont donc été mesurées au cours du temps dans des

ali uotes d’u e solutio d’eau de e a a t i te agit a e u asalte à diff e tes

températures (25°, 75°, 200° et 250°C).

Deux types de dispositifs expérimentaux ont été utilisés :

1- pour les expériences à 25°, 75° et 200°C, nous avons utilisé des volumes importants :

5 à 10 mL de solution et 0.5 à 1 g de roche ont été placés dans des béchers fermés

dans une armoire thermo-statée et une étuve au BRGM (Figure 40)

2- pour les expériences à plus hautes températures (200° et 250°C), un très faible

volume de solution (300 µL) et 30 mg de roche sont placés dans des capsules en or

qui seront ensuite chauffées et mises sous pression dans un autoclave dans les

laboratoires de l’I“TO Figu e ).

10

Millot R., Scaillet B., Sanjuan B. (2010) Lithium isotopes in island arc geothermal systems: Guadeloupe,

Martinique (French West Indies) and experimental approach. Geochimica et Cosmochimica Acta, 74:

1852-1871..

Figure 40 - Dispositif expérimental pour les interactions à 25°, 75° et 200°C (BRGM).

A la fin de chacune des expériences (25°, 75°, 200° et 250°C), la composition isotopique du

lithium est également mesurée dans la phase solide résiduelle, elle sera comparée à la

aleu o te ue da s l’eau également e fi d’expérience (ap s l’attei te de l’ uili re)

pou d te i e le f a tio e e t e t e l’eau et la o he : 

eau - roche

= 

7

Li

eau

- 

7

Li

roche

. La

variation du  avec la température correspond donc à la thermo-dépendance du

fractionnement isotopique du lithium.

La variation au cours du temps de la composition isotopique et de la concentration du

lithium est reportée graphiquement dans la figure 42 avec les différentes températures

d’i te a tio .

Figure 42 - Evolution temporelle de la composition isotopique et de la concentration en

lithium dans la solution à différentes températures (Millot et al., 2010b).

L’ olutio te po elle de la o positio isotopi ue et de la o e t atio e lithiu dans

la solution à diff e tes te p atu es Figu e ) est i he d’e seig e e t à plusieurs

titres :

- tout d’a o d, e e qui concerne les teneurs en lithium de l’eau, nous voyons

lai e e t u’à pa ti d’u e solutio initiale à 100 µg/L, plus la réaction avance dans

le temps et plus la teneur augmente (ceci est vrai quelle que soit la température).

- ette aug e tatio de la te eu e lithiu da s l’eau est gale e t aie lo s ue la

température augmente, ainsi la concentration atteint plus de 300 µg/L en fin

d’e p ie e à °C.

- le sultat le plus i po ta t o e e l’ olution de la composition isotopique du

lithiu , ota e t le fait u’à pa ti d’u e aleu i itiale de + ‰ eau de e ), le

7

Li diminue très significativement au cours du temps.

- pour chacune des expériences, nous pouvons aussi noter que le 

7

Li diminue pour

atteindre une valeur plateau ui est d’auta t plus asse ue la te p atu e est

élevée.

- pou ha u e des e p ie es, ous pou o s d fi i u e aleu d’ uili e (

7

Li

eq

)

ui o espo d à la aleu da s l’eau e fi d’e p ie e, lo s ue l’ uili e

isotopique a été atteint.

Ces variations dans le temps de la composition isotopique et de la concentration du lithium

sont interprétées dans le schéma de la figure 43.

Figure 43 - S h a i te p tatif de l volutio te po elle de la o positio isotopi ue et de

la concentration en lithium (Millot et al., 2010b).

Au cours de l’i te a tio eau/ o he deux étapes successives peuvent être identifiées :

1- lors de la première étape, il y a tout d’a o d dissolutio de la o he, e ui e t ai e à

la fois une augmentation de la teneur en Li dans la solution mais aussi une diminution

du 

7

Li de la solution, puisque, rappelons-le, le 

7

Li du asalte est plus as + . ‰)

ue elui de l’eau de e + ‰). Cette p e i e tape est plus ou moins courte en

fo tio de la te p atu e de l’e p ie e.

2- Lo s d’u e se o de tape, des i au d’alt atio commencent à se former. Ainsi

le lithium et ses isotopes sont contrôl s pa l’ uili e ui e iste entre dissolution de

la o he et p ipitatio de i au se o dai es d’alt atio .

Ces i au se o dai es d’alt atio o t t a a t is s pou ha u e des e p ie es

(pour chacune des températures) à la fois par TEM (microscope électronique à

transmission), par FTIR (infra rouge à transformée de Fourier) et par XRD (diffraction des

rayons X). Cette caractérisation minérale montre deux choses : tout d’a o d, plus la

te p atu e est le e et plus les i au d’alt atio so t i po ta ts (en quantité) ;

d’autre part, ces minéraux secondaires sont de type argileux et sont aussi différents selon la

température de l’e p ie e.

Lo s ue l’o epo te la diff e e entre la solution (

7

Li

eq

) et la roche résiduelle (

7

Li

roche

) à

la fi de l’e p ie e (

eau - roche

= 

7

Li

eau

- 

7

Li

roche

), e fo tio de l’i e se de la

température (1/T, Kelvin), nous obtenons la corrélation de la figure 44 qui illustre bien la

thermo-dépendance du fractionnement isotopique du lithium.

Figure 44 - F a tio e e t isotopi ue du lithiu e t e l eau et la o he e fo tio de

l i ve se de la te p atu e (Millot et al., 2010b).

Pour conclure en ce qui concerne l’app o he e p i e tale, nous retiendrons que :

 Les e p ie es d’i te a tio asalte/eau de e o t pe is d’ ta li u e loi de

thermo-d pe da e pou le f a tio e e t isotopi ue du lithiu e t e l’eau et la

o he, ui peut s’ i e ave l’ uatio suiva te :

solution – solide = 7847 / T – 8.093

 Les fractionnements eau/roche diminuent de + ‰ à +7‰ lo s ue la te p atu e

augmente de 25° à 250°C.

 Les mécanismes mis en jeu et qui contrôlent ce fractionnement sont des équilibres

entre dissolution de minéraux primaires et formation de minéraux secondaires.

 Ces minéraux secondaires dépendent des conditions de formation, notamment en

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