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Soutenance de thèse de Chimie : Florian PEREZ

Production d'hydrogène par la serpentinisation des roches mantelliques : apport de la modelisation à la compréhension des processus physiques et géochimiques.
Quand ? Le 21/11/2012,
de 13:30 à 15:30
Où ? IUEM, Amphi A
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résumé

La circulation hydrothermale médio-océanique est un élément clé dans le transfert de chaleur et de matière des profondeurs de la Terre vers sa surface. De nombreux sites hydrothermaux ont été découverts et  certains produisent de grandes quantités d’hydrogène et de méthane. Dans cette thèse, on s’intéresse plus particulièrement au site de Rainbow (36°N), situé sur la dorsale médio-atlantique. Les fortes concentrations d’hydrogène ([H2]=16 mM kg-1) et de méthane ([CH4]=2,5 mM kg-1) des fluides chauds (T~365°C) émis par ce site ont été interprétées comme étant issues de l’hydratation des péridotites du diapir mantellique qui constitue son socle géologique. Pourtant l’hydratation des péridotites, ou serpentinisation, n’est peut-être pas l’unique origine de cet hydrogène : en profondeur, à proximité de la source de chaleur, l’altération d’assemblages gabbroïques pourrait également conduire à des assemblages minéralogiques secondaires (chlorite + talc + magnétite + trémolite) et à la formation d’hydrogène. Ces processus géochimiques d’altération des roches dépendent fortement des caractéristiques de l’écoulement des fluides au sein de la matrice poreuse et fracturée du site.

En premier lieu, notre étude se focalise sur la caractérisation de la circulation hydrothermale du site de Rainbow (profondeur, vitesses d’écoulement, champ de perméabilité), des processus physiques (séparation de phase, stabilité de la source chaude) et de leurs conséquences sur les caractéristiques physiques des fluides émis au niveau des évents. Les éléments de réponse proviennent de simulations numériques réalisées avec un code thermo-hydraulique développé pour cette étude sous la structure logicielle Cast3M. Ce code résout les équations de conservation de la masse et de l’énergie dans le milieu poreux que constitue la croûte océanique. Ces équations sont fortement non-linéaires et couplées entre elles en raison de la prise en compte des fortes variations des propriétés des fluides en fonction de la température et de la pression. Cet outil numérique a permis de proposer une modélisation conceptuelle du site de Rainbow permettant de restituer les fortes températures et débits massiques de fluides mesurés à la surface de la croûte océanique. Plusieurs résultats importants en découlent : (i) seule une configuration axisymétrique permet de simuler d’aussi grands flux massiques que ceux estimés in situ, (ii) la circulation hydrothermale peut être de faible extension horizontale (quelques kilomètres), (iii) elle doit très probablement être canalisée par un chemin préférentiel de forte perméabilité, (iv) elle peut être stable sur plusieurs milliers d’années.

Dans une seconde phase, afin de modéliser la production d’hydrogène, un code géochimique a également été développé. Le modèle géochimique est basé sur la réaction d’hydratation d’une harzburgite de composition représentative des roches ultrabasiques rencontrées sur les sites ultrabasiques de la dorsale médio-atlantique. Le modèle d’hydratation prend en compte la gestion des solutions solides, un impératif pour une description correcte de la quantité de fer disponible à l’oxydation et donc pour une estimation de la quantité d’hydrogène produit. À l’aide des logiciels EQ3/6 et Supcrt92, la production d’hydrogène, la consommation d’eau et la production de chaleur au cours de la réaction de serpentinisation ont été quantifiées et exprimées en fonction du couple (température, rapport eau/roche). Certaines caractéristiques des cinétiques de réaction ont été déterminées au préalable à l’aide d’un modèle 0D. Le modèle géochimique a ensuite été chaîné au modèle thermo-hydraulique. Grâce à ce modèle, (i) nous avons pu déterminer la valeur de l’amplitude de la constante de réaction (Kr) et la masse initiale de roche pouvant être hydratée dans le socle rocheux du site de Rainbow ; (ii) nous avons  estimé la quantité d’hydrogène produite à 3×108 mol an-1 et (iii) montré que le site de Rainbow pouvait maintenir sa production pendant une période supérieure à 25 000 ans ; (iv) enfin, nous avons montré que l’hydrogène est produit par serpentinisation en amont de la zone de décharge.

Photo du mois

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(C) Pascale Lherminier / Ifremer