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La Recherche

Expérimentation

Coordinateurs : Pokrovski G.

Chercheurs et enseignants-chercheurs concernés: Bénézeth P., Borissova A., Castet S., Chavagnac V., Dandurand J.-L., Delacour A., Destrigneville Ch., Martin F., Oelkers E., Poitrasson F., Pokrovsky O., Schott J.

ITA impliqués : Castillo A., Gisquet P., Micoud P.

La vocation de cet axe transverse est de constituer un support logistique aux projets des différentes équipes et thématiques scientifiques du laboratoire qui impliquent la géochimie expérimentale sur le thème général des interactions fluides-roches-organismes (développé dans le projet de la plateforme ‘Géochimie et Minéralogie Expérimentale’) ainsi que d’assurer le développement de nouvelles techniques comme par exemple l’expérimentation de haute température et pression, l’expérimentation biologique, la spectroscopie in situ, le transport réactif en milieu poreux, la synthèse de nanomatériaux. Ce thème fonctionnera en liaison étroite avec l’atelier mécanique et la plateforme ‘Géochimie et Minéralogie Expérimentale’ pour l’utilisation adéquate des outils expérimentaux existants et le développement de dispositifs nouveaux. Son bon fonctionnement repose également sur l’accès rapide et efficace aux moyens analytiques assurés par les services communs du laboratoire ou au travers de collaborations. Ce projet regroupe 16 chercheurs, enseignants-chercheurs et techniciens permanents qui interviennent également dans plusieurs thématiques scientifiques du laboratoire. L’apport de l’expérimentation dans les principaux projets de recherche scientifiques du laboratoire est résumé ci-dessous.

Interactions fluides-minéraux-microorganismes

(Schott J., Oelkers E., Pokrovsky O., Pokrovski G.)

La modélisation expérimentale de la cinétique de précipitation abiotique et biotique des minéraux (notamment hydroxydes de fer et carbonates) et du transport réactif en milieu poreux constitue la majeure partie des activités des chercheurs impliqués dans ce grand thème. Cette action, qui comportera la modélisation des processus de minéralisation/bioméralisation, de l'échelle atomique à l'échelle pluri-centimétrique, s'appuiera notamment sur la mise en œuvre d'un nouveau réacteur cinétique AFM et de la microtomographie de rayons X pour localiser dissolution et précipitation à l'échelle des pores lors du transport réactif. L’interaction des métaux avec les micro-organismes sera étudiée en combinant les techniques de laboratoire avec les méthodes spectroscopiques in situ, notamment la spectroscopie XAS sur synchrotron.

Stockage géologique de CO2

(Bénézeth P.)

Dans le cadre des programmes nationaux (ANR-CO2) et internationaux (CARBFIX) consacrés à la séquestration géologique du CO2, nous nous attachons à acquérir les paramètres thermodynamiques et cinétiques des espèces aqueuses et des phases solides susceptibles de contrôler le piégeage de CO2 sous forme dissoute ou solide dans les conditions de stockage (températures et pression de CO2 élevées), dans le but d’aboutir à la simulation numérique fiable du transport réactif du CO2 injecté dans des réservoirs naturels. Un important travail expérimental, réalisé ces dernières années, vise à nourrir les modèles prédictifs de transport réactif avec des données cinétiques de réaction ou des lois de comportement tirées d’expériences de percolation. Ces expériences sont menées grace à notre important parc intrumental, en particulier i) des cellules potentiométriques permettant la mesure du pH in-situ (électrodes à hydrogène, 25-300°C, 150 bars) : mesures de solubilité, cinétiques (proche de l’équilibre), complexation, titrations surfaciques, ii) des réacteurs cinétiques à circulation ou en batch munis d’électrodes spécifiques Na+ et H+ (25-150°C) permettant des mesures cinétiques de dissolution/précipitation des carbonates, iii) et enfin un réacteur de type «plug flow» permettant de réaliser des expériences de percolation réactive sur des échantillons de roches de sites pilotes et/ou des analogues (systèmes centimétriques et décimétriques). A la fin de l'essai, l'éprouvette est récupérée pour réaliser toutes les observations physiques et minéralogiques nécessaires, notamment par microtomographie synchrotron en collaboration avec l’ICMCB à Bordeaux.

Métallogénie

(Pokrovski G., Guillaume D., Borisova A.)

Cette thématique fait appel à l’expérimentation dans le but de quantifier la capacité des fluides métallifères à mobiliser et transporter les métaux. L’expérimentation apporte le moyen unique de reconstituer la composition des fluides de hautes température et pression qui ne sont pas accessibles à l’observation directe. Ceci se fait par mesures de solubilité/coefficients de partage de métaux et volatiles en réacteurs hydrothermaux dans les systèmes eau-gaz-sel pertinents des systèmes naturels de haute T-P et par synthèse d’inclusions fluides. Les méthodes de solubilité, couplées à la potentiométrie et spectroscopie in situ (Raman, XAS) permettent également l’acquisition des données fondamentales thermodynamiques sur les complexes dissous et les phases solides. Ces données seront utilisées pour modéliser les phénomènes de formation des dépôts métalliques. Un effort expérimental particulier sera donné aux études du transfert des métaux chalcophiles et du soufre par phase fluide aux conditions hydrothermales-magmatiques.

Synthèse de nanomatériaux

(Martin F.)

Cette thématique est basée sur des travaux de recherche expérimentale, qui ont aidé à comprendre la formation du talc en milieu naturel. Depuis 2003, ces recherches expérimentales ont été développées dans le but de rendre valorisable industriellement ces procédés de synthèse hydrothermale du talc. En effet, la taille des particules obtenues expérimentalement (de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres) ouvre de nouvelles possibilités d’utilisation industrielle pour le talc (peinture aéronautique par exemple). De plus, la maîtrise du procédé et des produits chimiques utilisés permet de substituer le magnésium par différents cations (Ni, Co, Fe, Zn, …) qui vont conférer au talc de nouvelles propriétés (magnétiques, électriques, …), et ainsi ouvrir de nouveaux champs d’application dans lesquels le talc naturel ne peut être utilisé. Des synthèses hydrothermales sont lancées régulièrement pour fabriquer, tester et optimiser les différents produits (nano-talc), dans des quantités variables (du gramme jusqu’au kg), et dans des conditions température-pression variables (de 150 à 500°C et de 5 à 300 bars). Ce projet a déjà fait l’objet de dépôts de 8 brevets nationaux et internationaux, et 2 nouveaux brevets sont en cours de dépôt.

Perturbation des systèmes chronométriques

(Seydoux-Guillaume A.-M.)

Le but est de mieux comprendre les mécanismes de perturbation des systèmes chronométriques (diffusion, dissolution-recristallisation) pour mieux interpréter les âges, essentiellement les âges U-Th-Pb. Cela regroupe des études expérimentales mais qui restent intimement liées aux observations de cas naturels. Deux grands aspects seront étudiés ici. (1) Le rôle des fluides sur les réequilibrages isotopiques et resetting des systèmes chronométriques. Dans ce cas là on s’intéresse surtout au minéral daté: comportement en fonction de la composition des fluides, où vont les éléments essentiels pour obtenir les âges (U, Th, Pb). (2) Les effets de l’irradiation liés aux minéraux radioactifs, utilisés pour dater les roches (monazites, zircon, allanite). Dans ce cas on va s’intéresser à la fois au minéral radioactif et aux minéraux proches (minéral hôte). L’irradiation modifie les propriétés physico-chimiques des minéraux. Il en résulte (i) une fracturation (due à l’amorphisation des minéraux), (ii) une fragilisation des joints de grains (amorphisation induite par l’irradiation) et (iii) une libération facilitée (via les fluides notamment) des éléments critiques (U, Th, Pb). Pour le coté expérimental on utilise des autoclaves à chauffage externe (disponibles au GET). On a également besoin de faire des irradiations externes (coll. avec le CEA et le CSNSM d'Orsay pour faire des analyses sur les accélérateurs ARAMIS et IRMA-plateforme JANNUS). Cette partie est liée aux thèmes Terre solide, Géoressources et Interactions fluides-minéraux.

Production d’hydrogène au cours des processus de serpentinisation à basse température

(Chavagnac V.)

L'hydrogène est naturellement produit pendant l'interaction de l'eau avec les minéraux ferro-magnésiens des roches mantelliques (i.e. olivine et pyroxène). L’essentiel des études expérimentales réalisées jusqu'ici sur les mêmes roches ont été effectuées à température élevée (T>250ºC), à des pressions de 350 à 500 bars, reproduisant les conditions P-T des systèmes hydrothermaux de haute température. Aucun travail n'est rapporté jusqu'ici à basses T-P, typiques des systèmes hydrothermaux qui n’ont été découverts que récemment (début 2000). Ces derniers produisent de larges quantités d’hydrogène et de méthane (voir Géoressources et Couplage Lithosphère-Océan-Atmosphère). Notre projet est essentiellement focalisé sur un dispositif expérimental de basses température et pression reproduisant les réactions exothermiques de serpentinisation afin d’identifier les mécanismes des réactions impliquées dans la production et la consommation d'hydrogène.

Hydrothermalisme de haute température dans le manteau

(Guillaume D.)

Des études menées très récemment par les chercheurs du GET sur les inclusions fluides piégées dans les diopsidites d'Oman ont permis de confirmer l'existence d'un hydrothermalisme de très haute température (> 700°C) dans le manteau supérieur. Les données apportées par l'étude d'inclusions fluides naturelles sont confirmées par la synthèse d'inclusions fluides synthétiques (700°C, 2.5 kbars) dans des diopsides (voir Terre solide / Magmas et fluides profonds). Le projet est focalisé sur l'utilisation des autoclaves à joints froids pour réaliser des synthèses d'inclusions fluides dans divers minéraux avec des compositions de fluides variées. Les développements envisagés concernent la mesure de la pH2 induite par la réaction fluide-minéral.

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