Séquestration des éléments mobiles durant la serpentinisation expérimentale en condition alcaline - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2013

Fluid Mobile Elements partitioning during experimental serpentinization under alkaline condition

Séquestration des éléments mobiles durant la serpentinisation expérimentale en condition alcaline

Romain Lafay

Abstract

Serpentinization reaction is the result of the interaction of seawater with mantle rocks especially at slow-spreading ridges. The formation of serpentinite during this alteration reaction changes the physico-chemical properties of the oceanic lithosphere and induces an enrichment in Fluid-mobile elements (FME: e.g. As, Sb, Li, Cs, Pb and B) compared to primary minerals. These elements are efficient geochemical tracers reflecting mantle hydration from the oceanic ridge to subduction environments. In this context, there is a lack of data concerning the partitioning and sequestration processes of FME between serpentine and fluids. The aim of this thesis is to determine fluid/serpentine partition coefficients of these elements as well as their effects on serpentine formation (reaction mechanism and kinetics, textural properties etc.). To achieve this goal, serpentine has been synthesized under highly alkaline hydrothermal conditions using two distinct protocols. Experimental-products were characterized using X-ray powder diffraction (XRPD), Fourier Transform Infra-Red spectroscopy (FTIR), N2 sorption isotherms, ThermoGravimetric Analyses (TGA), Field Emission gun Scanning Electron Microscopy (FESEM), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) and Mössbauer Spectroscopy. The first protocol consists in chrysotile synthesis from H2SiO3 and MgCl2 at 300 °C using batch and semi-continuous experiments. With this approach, we were able to chrarcterized chrysotile nanotubes nucleation and growth processes. In the second protocol, we investigated olivine serpentinization reaction under high hydroxyl-alkalinity or high carbonate-alkalinity at 200 °C. We note the efficiency of serpentine formation under high alkaline conditions in the both protocols and the significant effect of the carbonate component on the serpentinization processes and crystal growth rates. The serpentinization of olivine under alkaline conditions induces the oxidation of a large part of iron in the following reaction: 2〖Mg〗_1.8 〖Fe〗_0.2 〖SiO〗_4+3H_2 O=>〖(Mg〗_0.86 〖Fe(II)〗_0.12)(〖OH〗_2 )+(〖Mg〗_0.92 〖Fe(II)〗_0.03 〖Fe(III)〗_0.05 )_3 〖Fe(III)〗_0.04 〖Si〗_1.96 (OH)_4 Replacement is total after 1 month (<30 µm) and 3 month (30-56 µm). The presence of a carbonate component induces a lower reaction kinetic and is characterized by the co-precipitation of magnesite and lizardite. Based on these results, we chose favorable conditions in order to study FME (Li, As, Cs, Sb and B) sequestration. Solid-liquid partitioning for each FME was investigated during chrysotile synthesis at 300°C. Experimental results were modeled using the Langmuir equation and the role of each element on chrysotile textural properties was investigated. In addition, we report new results concerning the sequestration and the distribution of the trace elements during olivine replacement by serpentine and brucite. We highlight that Li act as a catalyst during olivine serpentinisation. Moreover, from XAS measurements, we indicate that Sb and As sequestration is dominated by adsorption mechanism. The precipitation of secondary As- and Sb-bearing phases was also revealed by Electron Microprobe X-ray mapping. Finally, Sb-trapping within chrysotile tubes was also suspected by HRTEM measurements. The changes of redox conditions during serpentinisation induce a change of Sb sequestration mechanism and the precipitation of Sb-bearing phases. In addition, we investigate the partitioning of FME at higher pressure (1-4 kbar) and temperature (450 °C). This pilot study brings promising results regarding the behavior of trace elements during serpentine destabilization (deep lithosphere or subduction contexts) and on the non-negligible role of trace elements on the stability of chrysotile.
La réaction de serpentinisation résulte de l'interaction de l'eau de mer, ou de fluides hydrothermaux avec les roches mantelliques. Elle engendre des changements de propriétés chimiques de la lithosphère océanique, avec notamment un enrichissement en éléments mobiles (ex. As, Sb, Li, Cs, Pb, et B). Ces éléments sont importants en sciences de la terre car ce sont des traceurs géochimiques des interactions fluides-roches depuis la ride océanique jusqu'aux zones de subduction. Cependant il existe peu d'études quantitatives s'intéressant à la séquestration de ces éléments durant la formation de serpentine. Ce travail de thèse a pour but de caractériser le partitionnement de certains éléments mobiles entre un fluide et la serpentine de manière expérimentale. Pour cela, nous avons développé deux protocoles expérimentaux en condition alcaline. Le premier, consiste en la synthèse de chrysotile à partir d'un gel à la stoechiométrie de la serpentine, à 300 °C et Psat. Pour le second protocole, la serpentine est obtenue par altération de grains d'olivine San Carlos (granulométrie : <30 µm, 30-56 µm, >56 µm) à 200 °C (Psat) pour 1M de NaOH et en présence de carbonate (HCO3-). La minéralogie des produits expérimentaux ainsi que leurs abondances modales ont été déterminées par diffraction des rayons-X, spectroscopie infrarouge et analyse thermogravimétrique. Les propriétés texturales ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage et à transmission haute résolution. La composition du produit solide a été mesurée par spectrométrie de masse et analyse par microsonde-éléctronique et l'état d'oxydo-réduction du fer a été déterminé par analyses Mössbauer. Des analyses d'absorption des rayons-X (XAS) ont été effectuées afin d'analyser la structure locale de l'antimoine et de l'arsenic. La combinaison de ces techniques analytiques a permis de montrer que la synthèse de chrysotile pur à 300 °C est effective après seulement 8 heures de réaction. A 200°C, l'olivine est remplacée (pseudomorphose) par le chrysotile et la brucite suivant la réaction : 2〖Mg〗_1.8 〖Fe〗_0.2 〖SiO〗_4+3H_2 O=>〖(Mg〗_0.86 〖Fe(II)〗_0.12)(〖OH〗_2 )+(〖Mg〗_0.92 〖Fe(II)〗_0.03 〖Fe(III)〗_0.05 )_3 〖Fe(III)〗_0.04 〖Si〗_1.96 (OH)_4 Le remplacement est total après 1 mois (<30 µm) et 3 mois (30 et 56 µm). En présence de carbonate, l'altération de l'olivine est caractérisée par une cinétique plus lente et est contrôlée par la précipitation de la magnésite et de la lizardite. En reprenant les 2 protocoles expérimentaux de synthèse de chrysotile (1M NaOH), et en dopant le fluide en un élément trace (Li, As, Cs, Sb et B) le partitionnement des éléments mobiles a pu être étudié. Le coefficient de partage solide-fluide (KD) a pu être défini pour chaque élément durant la synthèse du chrysotile à 300 °C en modélisant nos résultats suivant l'équation de Langmuir (concentrations en solution de 5 à 2000 µg g-1). La séquence obtenue pour les coefficients de partage est la suivante : 0.5
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Dates and versions

tel-01053911 , version 1 (04-08-2014)

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  • HAL Id : tel-01053911 , version 1

Cite

Romain Lafay. Séquestration des éléments mobiles durant la serpentinisation expérimentale en condition alcaline. Géochimie. Université de Grenoble, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01053911⟩
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