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
7Li = + . ‰ 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 (
7Li = + . ‰ ± . , 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
2O 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=
7Li
eau-
7Li
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
7Li diminue très significativement au cours du temps.
- pour chacune des expériences, nous pouvons aussi noter que le
7Li 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 (
7Li
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
7Li de la solution, puisque, rappelons-le, le
7Li 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 (
7Li
eq) et la roche résiduelle (
7Li
roche) à
la fi de l’e p ie e (
eau - roche=
7Li
eau-
7Li
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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Les isotopes du lithium: exemples d'applications en géochimie
(Page 55-62)