Lithium isotopes:Examples of applications in geochemistry
Les isotopes du lithium: exemples d'applications en géochimie
Résumé
This manuscript is a summary of the research work carried out at BRGM over the past 10 years under my direction in the field of lithium isotope geochemistry. First, we describe in detail the protocol for measurement of lithium isotopes in liquid and solid matrices by MC-ICP-MS (Multi Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer). This protocol requires validation of the entire analytical procedure. Then, we illustrate through various examples, the application of this isotopic tool in environmental systems such as rainwater and rivers, and during water/rock interactions at low and high temperature through the study of thermo-mineral and geothermal waters and finally in experimental systems. The main conclusions of this work are: 1/ the distribution of lithium and its isotopes in surface water (rain and rivers) is highly variable. Lithium in rain is in part derived from the oceans but other sources such as anthropogenic inputs and dust must be taken into account. 2/ Lithium in river waters is almost exclusively derived from the alteration of silicate rocks. The isotopic composition of lithium in river waters is a good tracer of the "weathering regime" which controls the balance between the dissolution of primary minerals and the precipitation of secondary minerals that can fractionate the lithium isotopic ratios of river waters by preferentially incorporating 6Li. 3/ The isotopic composition of lithium in thermo-mineral waters also shows great variation and 7/6Li of water is inversely correlated to the deep reservoir temperature. The thermo-dependence of the lithium isotopic fractionation between water and rock has been studied in both natural geothermal systems and with experimental approaches. Fractionation of lithium isotopes in hydrologic systems depends on the intensity of water/rock interactions both in terms of temperature in geothermal systems and "weathering regime" in surface waters. The common controlling mechanism of lithium isotope compositions is the balance between dissolution of primary minerals and formation of secondary minerals.
Ce manuscrit constitue la synthèse des travaux de Recherches menés au BRGM au cours de ces 10 dernières années dans la thématique de le géochimie isotopique du lithium. Tout d'abord, nous décrivons en détails le protocole de mesure par MC-ICP-MS (Multi Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) des isotopes du lithium dans des matrices liquides et solides. Cette mesure requiert une bonne validation de l'ensemble de la chaine analytique. Ensuite, nous illustrons à travers différents exemples, l'application de cet outil isotopique à la compréhension des systèmes et des milieux comme les eaux de pluies et les fleuves ainsi que dans les interactions eau/roche à basse et haute température à travers l'étude des eaux thermo-minérales et des eaux géothermales et enfin des systèmes expérimentaux. Les principales conclusions de ce travail sont les suivantes : 1/ la distribution du lithium et de ses isotopes dans les eaux de surface (pluies et rivières) est très variable. Le lithium des pluies n'est pas uniquement d'origine marine et les autres sources doivent donc être prises en compte comme les apports anthropiques. 2/ Le lithium dans les eaux de rivières provient quasi exclusivement de l'altération des roches silicatées et les compositions isotopiques du lithium dans les eaux des rivières sont donc un bon traceur du régime d'altération qui est contrôlé par la balance entre la dissolution des minéraux primaires et la précipitation des minéraux secondaires qui fractionnent les rapports isotopiques des eaux en incorporant préférentiellement du 6Li. 3/ Les compositions isotopiques du lithium dans les eaux thermominérales présentent aussi de grandes variations et le d7Li d'une eau est inversement corrélé à la température profonde du réservoir. La thermo-dépendance du fractionnement isotopique du lithium est étudiée entre l'eau et la roche, à fois pour des systèmes géothermaux mais aussi par une approche expérimentale. Le fractionnement des isotopes du lithium dans les hydrosystèmes dépend donc de l'intensité des interactions eau/roche à la fois en terme de température dans les systèmes géothermaux et du régime d'altération pour les eaux de surface. Le mécanisme commun de contrôle est l'équilibre entre dissolution de minéraux primaires et formation de minéraux secondaires.