GP2 : Fluides profonds : préconcentrations magmatiques et systèmes hydrothermaux

Michel Pichavant (CNRS-ISTO), Laurent Guillou-Frottier (BRGM)

Le volet ressources du Labex se positionne scientifiquement sur deux thématiques principales : les pré-concentrations magmatiques et la dynamique des systèmes hydrothermaux.

L’étude des pré-concentrations magmatiques présente un enjeu considérable dans la mesure où des critères de fertilité, s’ils étaient définis pour certains types de magmas, pourraient servir de guides aux activités de prospection. Toutefois, l’établissement de ce type de critère représente une vraie difficulté.
Bien que de nombreuses approches très empiriques, ou « descriptives » basées sur la géochimie, aient été tentées, l’approche moderne privilégie la recherche fondamentale sur les mécanismes de concentration dans les magmas, ce qui conduit à définir sur des bases physicochimiques les critères de fertilité. Les aspects expérimentaux et analytiques constituent l’essentiel de cette démarche qui comprend nécessairement plusieurs volets.

Nous travaillerons en particulier sur :

  1. les mécanismes d’incorporation des métaux dans les magmas (nature des roches sources, stabilité des phases porteuses et notamment des sulfures, coefficients de partage minéral-liquide) ;
  2. les processus de transport et de concentration des métaux au stade magmatique (spéciation des éléments métalliques) ;
  3. le transfert des métaux vers le système hydrothermal (coefficients de partage liquide-vapeur).

Les données expérimentales sur le comportement des métaux dans les magmas doivent être accompagnées de données analogues concernant les volatils tels que S et Cl (solubilités, coefficients de partage minéral-liquide et liquide-vapeur). Enfin, les informations de type spéciation des métaux dans le liquide silicaté, extraites des mesures de solubilité, peuvent être éventuellement combinées avec des approches analytiques directes (mesures spectroscopiques, ex. EXAFS).
L’ensemble de ces informations de laboratoire doit être évidemment confronté en permanence aux contraintes apportées par des exemples représentatifs de systèmes minéralisés, afin d’une part d’en faire progresser l’interprétation et, d’autre part, d’affiner les conditions aux limites et la pertinence des simulations expérimentales.
L’accent sera mis sur les techniques à haute résolution spatiale (notamment ICP-MS à ablation laser, microspectrométrie IR et Raman, EXAFS sur rayonnement synchrotron pour certains matériaux expérimentaux) permettant l’analyse des phases précoces de l’évolution magmatique (inclusions vitreuses et minérales), en particulier dans des échantillons minéralisés qui sont souvent partiellement voire totalement transformés.
Outre la détermination des principaux paramètres intensifs de l’évolution magmatique (teneur en H2O, fO2, fS2), les analyses permettront de contraindre les concentrations en métaux (et en S, Cl) des liquides magmatiques naturels. Une base objective sera ainsi constituée pour discuter de la spécialisation éventuelle des séries magmatiques vis-à-vis des métaux.

L’étude des fluides sera abordée au travers du couplage étroit entre les approches de type « chimique » et « physique ». A titre d’exemple, la serpentinisation des roches de la croûte océanique est associée à des changements de volume importants, et donc susceptible d’affecter les perméabilités et les mécanismes de circulation des fluides. En retour, le régime et les flux de circulation des fluides pourront contrôler le développement des interactions avec les roches encaissantes, l’évolution chimique des fluides et la production d’hydrogène naturel.
D’autres exemples illustrant le couplage, les actions et rétro-actions entre mécanismes de circulation, altérations hydrothermales et minéralisations sont connus dans d’autres contextes, notamment dans le cas des gisements d’or mésothermaux qui ont été interprétés comme des valves sismiques de type Sibson dans lesquelles la déformation et le fonctionnement des failles contrôlent le régime transitoire des circulations hydrothermales. Cependant, à l’heure actuelle, les études couplées des systèmes fluides sont encore peu développées. Pour l’essentiel, elles ne sont envisageables qu’avec un nombre limité d’approches, parmi lesquelles l’expérimentation, et la modélisation numérique, sont incontournables.

La simulation expérimentale peut apporter des réponses sur le fonctionnement des systèmes fluides complexes, notamment à partir d’observations sur des analogues pertinemment choisis.

Toutefois, très peu d’études ont jusqu’à présent abordé les interactions fluides-roches en prenant en compte les mécanismes de circulation des fluides aux différentes échelles, allant de celle du minéral à celle de la roche. Une des raisons de cet état de fait tient à la nécessaire sophistication des montages expérimentaux dont la mise au point constitue actuellement une frontière pour les études expérimentales des interactions fluides-minéraux.

Ce projet se propose de développer de tels outils expérimentaux sur la base d’instruments existants et déjà opérationnels (presse paterson, autoclaves oscillants à prélèvement) ou en cours de développement dans le cadre de projets financés (ANR-FLUXHYD, CALAMINE Projet Région Centre).
L’approche de modélisation numérique est quant à elle probablement la seule susceptible de pouvoir fournir des simulations du réel dans toute sa complexité.

Le couplage entre les aspects physiques (hydrodynamique, thermique) et chimiques (équilibres fluides-minéraux, transferts de masse) constituera de fait un objectif sur le moyen / long terme.

Les modèles numériques actuels de circulations hydrothermales n’intègrent pas pour le moment des modules de réactions chimiques. Par ailleurs, ces modèles sont en général basés sur des flux de fluides intégrés dans le temps, et rarement sur une description fine de l’hydrodynamique des systèmes hydrothermaux. Toutefois, cela ne diminue en rien l’intérêt de l’approche numérique, en particulier quand elle est conduite en association étroite avec des simulations expérimentales qui peuvent jouer un rôle de référence. Outre la compréhension et quantification fine des processus de circulation de fluides dans les roches ainsi que de leur capacité de transport d’éléments métalliques, la retombée attendue est la définition de guides de prospection définis sur une base physico-chimique.

Résultats :

Résultats du GP 2