Les principales techniques d’étude des inclusions fluides

Classiquement l’étude des inclusions fluides combine l’analyse pétrologique, microthermométrique et la spectroscopie Raman. Ces 20 dernières années, de nouvelles techniques d’analyse quantitative ont été appliquées aux inclusions fluides. Elles sont basées sur l’analyse des radiations electromagnétiques produites par l’excitation du contenu des inclusions par des flux de particules accélérées ou des électrons.

3.1. L’analyse pétrologique et microstructurale

Cette analyse consiste en la description des inclusions à température ambiante (taille, forme, disposition des cristaux, nombre de phases dans l’inclusion...). Elle est primordiale avant toute étude d’inclusions fluides. En effet, elle permet de contraindre la part des processus secondaires (diagenèse, altération, déformation) susceptibles d’affecter les minéraux. En effet certaines caractéristiques des minéraux, comme par exemple leur solubilité ou leur aptitude à se déformer laissent les géologues assez septiques quant à la préservation des inclusions fluides. Il est donc nécessaire, avant chaque étude d’inclusions fluides, de vérifier si les postulats de base sont respectés. Ces postulats, présentés précédemment (Chapitre 3.2), sont au nombre de trois : (1) conservation de la composition de l’inclusion, (2) conservation du volume de l’inclusion et (3) le fluide doit être monophasé au moment du piégeage. En

conséquence, si une étude pétro-structurale fine est menée permettant d’évaluer les processus secondaires d’altération, les inclusions fluides contenues dans tous types de minéraux même très fragiles peuvent être considérées comme représentatives de la nature des fluides parents.

3.2. La spectroscopie Raman

La spectroscopie Raman permet de déterminer la composition et la concentration de certains constituants par le phénomène de changement de longueur d’onde caractéristique d’un milieu matériel qui accompagne la diffusion de la lumière. C’est une méthode non destructive et ponctuelle qui permet de connaître la composition de la phase volatile (CH₄, CO₂, N₂, H₂S) contenues dans les inclusions fluides.

3.3. Les analyses PIXE, PIGE LA-AOS et LA-ICP-MS

Ces 20 dernières années différentes techniques ont été mises au point afin de déterminer les teneurs en ions d’inclusions individuelles. Ces méthodes modernes sont basées sur l’analyse électromagnétique de radiations produites par l’excitation de particules ou d’électrons accélérés comme par exemple les microanalyses d’inclusions congelées par X-ray (Ayora et al., 1994) ; la spectroscopie par émission de rayons X (PIXE) ou de rayons gamma (PIGE) (Anderson et al., 1989 ; Volfinger et al., 1997), la spectroscopie par fluorescence X au synchrotron (Frantz et al., 1988 ; Nagaseki et al., 2006). Ces méthodes non destructives mais lourdes d’utilisation permettent d’obtenir les teneurs en éléments traces (Cl, Za, Br) et majeurs (Na, Ca, Fe, Mn, K,) d’inclusions individuelles. Cependant les résultats sont aléatoires car limités par la forme et la profondeur des inclusions dans le minéral hôte. Des méthodes destructives à l’échelle du faisceau laser et basées sur l’analyse par ICP-MS (Shepherd et Chenery, 1995 ; Moissette et al., 1996 ; Graupner et al., 2005) ou sur la spectroscopie optique d’émission (EOS) (Boiron et al., 1997 ; Fabre et al., 1999) couplées à l’ablation laser permettent d’analyser le liquide des inclusions fluides et donnent de meilleurs limites de détection pour les éléments traces et majeurs.

3.4. La microthermométrie

L’analyse microthermométrique est une technique non destructive qui consiste en une observation minutieuse des changements de phase d’une inclusion individuelle qui surviennent lorsqu’elle est soumise à des cycles de chauffage et de refroidissement, dans une gamme de températures comprises entre -180°C et +600°C. Cette analyse est réalisée à l’aide d’une platine chauffante/réfrigérante couplée à un microscope optique. Les mesures de ces changements de phase permettent d’estimer les conditions de piégeage des fluides à condition que les postulats de base de l’étude des inclusions fluides soient respectés. Les températures habituellement mesurées sont la température d’homogénéisation, la température de l’eutectique (début de la fusion) et la température de dernière fusion (ou température de dissolution). Après congélation totale (solidification) l’inclusion est lentement réchauffée jusqu’à homogénéisation totale (état à une phase). Le début de la fusion de l’inclusion solidifiée permet l’identification de la phase liquide et du système gazeux associé (H₂O–NaCl, H₂O–CO₂, CO₂–CH₄, etc.). La température finale de fusion (ou température de dissolution) donne la concentration des composants dans le système correspondant. La température d’homogénéisation de l’inclusion (lorsqu’il ne reste plus qu’une seule phase dans l’inclusion) indique la température minimum de formation de l’inclusion.

Les analyses microthermométriques peuvent être effectuées aussi bien pour des températures élevées (roches magmatiques ou métamorphiques) que pour des températures basses (roches exogènes). Dans le cadre de ma thèse, des mesures microthermométriques ont été effectuées sur des halites de Sicile (Chapitre 5.2) et sur des granulites de Tanzanie (Chapitre 7.2). Les protocoles utilisés pour ces études seront présentés dans le chapitre suivant (Chapitre 4.3).

3.5. L’analyse des isotopes stables des inclusions fluides

Les méthodes d’études précédemment décrites donnent accès et cela avec de plus en plus de précision, à la nature des fluides et aux propriétés du milieu (pression, température, composition) lors de leur piégeage. Bien que primordiales dans la compréhension des interactions fluides-roches, ces méthodes ne permettent cependant pas la caractérisation des sources (réservoirs) de ces fluides. L’analyse des isotopes stables des inclusions fluides, en particulier de l’hydrogène, de l’oxygène et du carbone, est un outil indispensable pour définir

l’origine des fluides présents dans les inclusions et caractériser leurs mélanges quand ces fluides sont issus de deux ou plusieurs sources différentes. Cette méthode présente l’inconvénient d’être destructrice pour l’échantillon puisqu’elle nécessite la récupération des fluides soit par décrépitation, soit par broyage de l’échantillon mais elle a cependant l’avantage de ne pas être conditionnée par le principe de conservation du volume de l’inclusion. En effet, seule la composition chimique de l’inclusion ne doit pas avoir changé depuis le piégeage du fluide. Un changement de volume d’inclusion n’entrainera pas de modification de l’information isotopique enregistrée dans l’inclusion. L’essentiel de mon travail de thèse est fondé sur l’analyse des compositions isotopiques (H, C et O) des inclusions fluides. Les techniques utilisées au cours de ce travail seront décrites dans le chapitre suivant (Chapitres 4.1 et 4.2).