Thèse de Fabien Dufaud | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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Géochimie des isotopes stables

  Thèse de Fabien Dufaud

Etude expérimentale des réactions de carbonatation minérale du CO2 dans les roches basiques et ultrabasiques
Encadrant (et co-encadrant) : 
guillaume fiquet
Résumé: 

 

Dans une première partie, nous présentons des données de dissolution de sidérite FeCO3 et magnétite Fe3O4, mesurées in situ sur la ligne FAME du synchrotron européen de Grenoble (ESRF). Par spectrométrie d’absorption X, nous vérifions, pour chaque mesure de concentration en solution à proximité du monocristal de sidérite, que le fer est sous forme d’ion divalent hydraté. En outre, la très petite taille de la zone d’analyse (200*400 microns et 3 mm de hauteur) permet de réaliser une expérience de dissolution sur des monocristaux de géométries bien contrôlées. Aucune interaction spécifique n’est observée entre le fer (II) et le carbone en solution, suggérant que la modélisation de l’évolution de la sidérite sous forte pression de CO2 par des solutions sans CO2 mais très acides (pH compris entre 1 et 2) est adéquate. À partir des vitesses initiales, nous mesurons une énergie d’activation de dissolution de la sidérite de 62 kJ.mol-1, cohérente avec les mesures précédentes de la littérature, ceci suggère fortement un mécanisme contrôlé par des phénomènes d’interface minéral/solution.

Nos données et celles de la littérature sont cohérentes sur une gamme de température 25°C- 125°C et de pH 1-7 avec une loi empirique :
pk = pH + Ea/(ln(10)*RT(K)) –log(S/V) –10,5
où Ea =62 kJ.mol-1 et S/V est le rapport entre la surface du solide S et le volume de fluide V.
Dans le cas de la magnétite, on obtient une énergie d’activation de 73,5 kJ.mol-1, suggèrant là encore un mécanisme d’interface minéral/solution.
La seconde et principale partie de ce travail de thèse a reposé sur des maquettes expérimentales de carbonatation de roches et de minéraux basiques et surtout ultra-basiques.

Cette approche a été elle-même subdivisée en deux parties : des expériences sur carottes consolidées à 90°C et 280 bar de CO2 (expériences basse température) d’une part, et des réactions sur poudres en containers métalliques à 400°C-500°C et 1000-1700 bar de CO2 (expériences haute température) d’autre part. Un paramètre important de toutes les expériences est le taux de piégeage minéral du CO2 que l’on a choisi de mesurer ici en faisant le rapport entre le nombre de moles de carbonates solides produits et le nombre total de moles de CO2 injecté. Dans le cas des expériences de basse température, ce taux est de l’ordre de 1% en trois mois, alors qu’il est de plusieurs dizaines de pour cents en quelques heures à haute température. Dans tous les cas, on montre que la carbonatation est gouvernée par un mécanisme de dissolution/précipitation qui se traduit dans les échantillons de haute température par un couplage équimolaire entre formation de carbonate et (proto)serpentinisation des silicates. Les carbonates néoformés sont essentiellement des magnésites MgCO3, avec un peu de Fe et de Ca en solution solide. Dans les échantillons de basse température, les silicates se couvrent d’une couche nanométrique de silice et de carbonates généralement présents sous forme de sphérules microniques zonées avec des coeurs d’ankerite CaFe(CO3)2 - dolomite CaMg(CO3)2 ou de sidérite, entourés de surcroissances de magnésite. Les péridotites sont, dans l’eau saturée en CO2, plus réactives que les serpentinites et les basaltes, conformément à l’ordre prédit par la thermodynamique, tandis que les serpentinites présentent la meilleure réactivité dans le CO2 supercritique, celle-ci étant pour ce minéral plus importante que dans l’eau saturée en CO2. Dans les expériences de haute température, on a montré que le taux de piégeage était plus important à 400°C qu’à 500°C, ce qui peut s’expliquer par un modèle thermodynamique simple du système. On a aussi observé que la fugacité d’eau et la salinité du fluide jouaient un rôle positif sur le taux de piégeage minéral. Les bilans de masse isotopiques ont permis de mettre en évidence une phase de carbone réduit, par ailleurs été identifiée au microscope électronique en transmission comme un graphite mal organisé, qui rend compte d’environ 15% du piégeage minéral.

Date de soutenance: 
Mercredi 08 Novembre 2006 - 10:00
Jury: 
Alain Bonneville : Président du jury, Jacques Schott : Rapporteur, Guy Libourel : Rapporteur, Jérôme Gaillardet : Examinateur, Isabelle Martinez : Codirectrice de thèse, Guillaume Fiquet : Directeur de thèse