Exercices Exercice n 1

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1 Exercices Exercice n 1 Décrire la typologie. Quelle information va nous apporter chaque type? Bodnar (2003) Fluid inclusions : methods and interpretation. Mac Short Course n 32 Exercice n 2 1. En supposant (abusivement) qu un fluide considéré comme de l eau pure respecte la loi des gaz parfaits, calculer le volume molaire et la densité de l eau à 400 C et 1 kbar. 2. Soit une cavité sphérique de 10 µm de diamètre à l intérieur d un minéral à 400 C. En supposant une variation de volume de 2% entre 400 C et 25 C, calculer le volume de la cavité à 25 C. 3. En supposant que la cavité soit remplie d eau pure, calculer la variation de volume du fluide piégé entre 400 C et 1 kbar et les conditions ambiantes. 4. Conclusions. Données : loi des gaz parfaits : PV = RT # n & % " x i M i ( d = % i=1 ( 1 ) % V ( 25 C,1bar % ( ( M v ) eau $ ' avec P = pression en bar, T = température en K, V = volume molaire en m 3 /mol, x i = fraction molaire du constituant i, M i = masse molaire du constituant i, R = 0, m 3.bar/mol.K, 25 C,1bar = masse volume de l eau à 25 C/1 bar (1000 kg/m 3 ) ( M v ) eau 1/20

2 Exercice n 3 Dans un échantillon de granulite, on a trouvé des inclusions fluides à CO2. La température d'homogénéisation de ces inclusions est de 17.8 C. 1. Quelle est la densité de ces inclusions? 2. Si on suppose que les inclusions sont primaires et que le minéral-hôte a été formé à 1100 C, à quelle pression se sont formées les inclusions? 2/20

3 Exercice N 4 Une inclusion fluide (composition : H 2 O) homogénéise à 200 C. a. Quelle est sa densité? b. En supposant un gradient géothermique de 40 C/km, déterminer à quelle température elle s est formée. Données : 1 bar = 10 5 Pa relation entre la prodondeur z (km) et la pression (kbar) : P kbar ( ) = z( km) 4 Diagramme température de l eau pure. Les courbes sont les isochores exprimées en cm 3 /mol 3/20

4 Exercice n 5 On observe une minéralisation en or dans un système de filons de quartz recoupant des terrains métamorphiques. L observation pétrographique montre que l or est soit englobé dans les quartz, soit situé entre les cristaux de quartz. Dans le quartz on observe des inclusions fluides. Ces inclusions contiennent une solution aqueuse. Les températures d homogénéisation mesurées sont de 145±4 C. La température de fusion de la glace est de -3 C. a. Que peut-on supposer de la chronologie de l or par rapport au quartz? b. Quelle est la composition du fluide minéralisateur? c. Quelle est la pression de piégeage des inclusions? Données : 1/ on a pu déterminer que la température du fluide était de 280 C 2/ l équation de l isochore est P(bars) =17,56T( C) " / la courbe de fusion de la glace du système H 2 O-NaCl est donnée par : 4/20

5 Exercice n 6 Une étude d inclusions fluides a été réalisée. Le cadre et la problématique de l étude sont donnés dans la page suivante ainsi que les résultats obtenus. Dans les documents, vous trouverez tout un ensemble de données utiles ou non, qui vous permettront d interpréter les résultats. En vous aidant des questions qui vous guideront dans la progression parties encadrées -, vous rédigerez dans le temps imparti un document de synthèse, dont le format sera analogue à celui d petit rapport. Les conclusions devront être étayées par les éléments d interprétation et de discussion. L accent sera mis sur la solidité de l argumentation et la rigueur scientifique I. Informations générales et but de lʼétude L objectif du travail réalisé est de déterminer les conditions de formation de surcroissances de quartz d un échantillon d une formation gréseuse. La conséquence de la présence de CH 4 sur l évaluation des conditions pression-température sera aussi discutée. II. Etude expérimentale Un échantillon a été prélevé dans une épaisse série gréseuse. L échantillon provient d un forage d une profondeur de 5000 m. Les grès sont constitués de grains de quartz et de feldspaths cimentés par de la calcite. Une représentation schématique de cet échantillon est présentée sur la Figure 1. traits en pointillés : limite des surcroissances de quartz Figure 1 : représentation schématique d une portion de lame provenant de l échantillon Raconter l histoire diagénétique de cet échantillon 5/20

6 Les inclusions ont été observées en fonction des minéraux hôtes et de leur disposition dans le cristal. Commenter le schéma établi en laboratoire (Figure 1). Vous en tirerez notamment des éléments sur la typologie des différentes populations d inclusions et la chronologie par rapport aux minéraux hôtes et entre les différentes populations d inclusions. Expériences de caractérisation En laboratoire, la succession chronologique de photos suivante (Figure 2) a été réalisée sur une inclusion de type F. Commenter en détail cette séquence de photographies. Rappeler notamment la signification de la température eutectique et celle de la fusion de la glace. La température d homogénéisation d inclusions a été mesurée. Tableau 1 : mesures de la température d homogénéisation réalisées dans les inclusions de type F Incl. Fluide Th Incl. Fluide Th 1 97, ,7 2 90, ,8 3 96, ,9 4 93, , , ,3 6 97, ,6 7 96, ,3 8 92, ,1 9 95, , , , , , , , , , , , , ,5 Commenter ces données. Vous pouvez vous aider en réalisant un histogramme. Vous présenterez notamment les hypothèses possibles pour expliquer la dispersion des données. III. Interprétations Déduire des données la salinité de l inclusion. Considérant le fait que le remplissage de l inclusion est de 5%, en déduire la densité de l inclusion. Représenter sur la Figure 4 l isochore, dont l équation est : P(bars) =19,65 " T( C) # 2942,41 En déduire les conditions de formation de l inclusion. 6/20

7 -23,9 C Début de fusion Dernier glaçon -21,2 C -3,0 C Figure 2 : Succession de microphotographies prises lors des expériences de microthermométrie 7/20

8 La densité du CH 4 de la vapeur est évaluée à 0,45 g/cm 3. Déterminer la composition totale de l inclusion. Calculer la densité de l inclusion en prenant en compte le CH 4. Les conditions de formation seront établies sur la Figure 4. Comment les relations de phases sur cette figure. Déterminer l isochore de cette inclusion et la représenter sur la Figure 4. Déduire, dans chacun des cas, les conditions de formation de ce grès enfoui à 5000 mètres. IV. Conclusions A partir des éléments apportés dans les interprétations précédentes, concluez. Vous réfléchirez notamment aux points suivants : quelle est l origine des constituants détectés dans l inclusion? quelle est l influence de la présence de CH 4 dans l inclusion sur les conditions pressiontempérature de formation? Quelle erreur commet-on si on néglige le méthane (et de tout gaz en général) dans les inclusions? dans quelles conditions la silicification des grains de quartz s est-elle produite? Déterminer les conditions de formation de l inclusion On déterminera d abord les conditions en considérant que l inclusion ne contient que de l eau (on supposera qu il s agit d eau non salée). On fera ensuite la détermination en tenant compte du méthane détecté par Raman. 8/20

9 Figure 3 : Diagrammes composition - température pour différents systèmes Figure 4 : diagramme température - pression dans le système H 2 O-CH 4 pour une salinité de l eau de 5 %poids NaCl. Les valeurs sur les isochores sont les densités en g/cm 3. Sel(s) en solution Température eutectique ( C) Composition eutectique (%poids salt) Sel 1 Sel 2 NaCl KCl CaCl MgCl NaCl-KCl %NaCl 5.81 %KCl NaCl-CaCl %NaCl 29.4 %CaCl 2 NaCl-MgCl %NaCl %MgCl 2 NaCl-LiCl Tableau 2 : Valeurs de quelques points eutectiques de systèmes eau-sel(s) 9/20

10 Exercice n 7 Dans un gisement de type porphyre cuprifère (voir cours), plusieurs populations d inclusions fluides ont été observées dans des veines de quartz minéralisées en sulfures de cuivre, fer et molybdène (pyrite, chalcopyrite, bornite et molybdénite). - un premier type (noté type 1) est constitué d inclusions avec une phase liquide et une phase vapeur - le second type présente, dans les mêmes zones, soit un grand remplissage vapeur, soit une petite bulle de vapeur et un cube de sel. 1. Le premier type d inclusions donne une température de fusion de la glace de -6,6 C. Quelle est la salinité du fluide? Sachant que l isochore pour ce fluide répond à l équation : P(bars) = 4,448 * T( C) ,4 tracer l isochore de ces inclusions sur le diagramme température-pression (verso). La température est estimée à 650 C grâce aux isotopes stables, en déduire la pression du fluide. 2. Pour le second type d inclusions, la température de fusion de la glace est de -0,5 C dans les inclusions à grosse vapeur. Dans les autres inclusions, le cube de sel identifié comme de la halite fond à 383 C. Déterminer la composition de chacun des aspects d inclusions. Température ( C) Liquide Le système H 2 O-NaCl. A droite : aspect général du diagramme de phases entre -100 et 800 C. Au-dessus : zoom sur la partie comprise entre -30 et +10 C Hydrohalite + liquide Glace + liquide Glace + hydrohalite Halite + liquide Hydrohalite + halite Composition (%poids NaCl) Les inclusions à vapeur et les inclusions à halite homogénéisent à 580 C. A partir du diagramme composition-température, reporter les points représentatifs des inclusions. En déduire la pression de formation de ces formations. Reportez les points correspondants sur le diagramme température-pression. 10/20

11 Courbe critique Courbe L+V T L+V V L NaCl wt% 3. Proposer un modèle d évolution du fluide associé aux minéralisations. 11/20

12 Exercice n 9 L objectif de cet exercice est d étudier le fonctionnement d un système hydrothermal convectif actif au niveau d une ride médio-océanique. «La circulation hydrothermale se produit le long des dorsales médio-océaniques, chaîne volcanique continue qui s'étend sur environ kilomètres, lorsque l'eau de mer s'infiltre au travers de la croûte océanique fracturée. Cette structure perméable de la croûte océanique associée à la présence d'une source de chaleur profonde permet la circulation hydrothermale de l'eau de mer au travers du substratum. Le processus de circulation hydrothermale se fait alors en trois étapes» (Juteau et Maury, 1997). L'eau froide pénètre dans la croûte (phase de recharge). Un certain nombre d échanges se font entre le fluide et la roche. Le fluide atteint ensuite la zone de réaction de haute température (ZRHT), proche de la chambre magmatique. Dans ces conditions, la composition du fluide est fortement influencée par la température, la pression, le rapport eau/roche, la nature de la roche attaquée et le temps de réaction. Dans la ZRHT, le fluide s enrichit en métaux avant de poursuivre son chemin vers la partie centrale du rift et de ressortir au niveau des zones de décharges. Dans ces zones se forment des cheminées hydrothermales à barytine appelés fumeurs m Fumeurs actifs Un forage a été réalisé au niveau d un épaulement de la ride médio-océanique et divers échantillons de veines ont été collectées. Des études d inclusions fluides ont été réalisées dans ces différents échantillons ainsi que dans des barytines prélevées au niveau de fumeur. Les principales données sont présentées dans le tableau 1 La démarche globale pour proposer un modèle global de fonctionnement de l hydrothermalisme de ride est suivie au fur au et à mesure des questions ci-dessous ; ces questions sont indépendantes, mais la synthèse générale se fera à partir de l ensemble des conclusions à chaque question. Le sujet se termine par tout un ensemble de données, pour répondre aux questions, certaines utiles, d autres pas. 12/20

13 1. Données de cryométrie a. Température eutectique La température eutectique des inclusions fluides a été mesurée. Un intervalle est donné dans le tableau 1. Rappeler la signification de la température eutectique dans un système eau-sel(s). Quelle information peut-on en tirer du point de vue de la composition (qualitative et/ou quantitative) des inclusions? Dans chaque cas, indiquer quelles sont les phases stables au point eutectique. Quelle(s) méthode(s) pourriez-vous utiliser pour confirmer la nature des phases présentes?(exposer brièvement la méthode et les conditions de préparation des échantillons). Quelles conclusions tirez-vous de la répartition de la température eutectique tout au long du forage? b. Température de fusion de la glace Reporter, dans le tableau 1, la salinité du fluide pour chaque échantillon. Quelles conclusions peut-on tirer des températures de fusion de glace. c. Autres températures Dans l échantillon PH5, dans les inclusions à fort remplissage, on note la présence d un solide qui se forme en refroidissant à l interface vapeur-liquide et qui fond vers C. Quelle peut être la nature de ce solide? quelle(s) méthode(s) utiliser pour confirmer cette hypothèse? pour analyser quelle phase? 2. Données de thermométrie a. Rappeler le principe de la thermométrie haute température b. Commenter la répartition des températures d homogénéisation c. Calculer pour chaque échantillon la pression du fluide d. En déduire, pour chaque échantillon, la densité du fluide à, partir du système H 2 O pure. e. Quel est le point critique de l eau pure? Quelle est l influence de la présence de sel sur la température critique d une solution aqueuse par rapport à l eau pure? Déterminer la température. f. Calculer le gradient géothermique. g. L échantillon PH5 présente des particularités par rapport aux autres échantillons. Commenter de manière détaillée ces particularités. Quelle est leur signification du point de vue de l état du fluide? A partir des données microthermométriques, quelle est la température de piégeage des inclusions?en déduire (en justifiant) les conditions de piégeage du fluide dans cet échantillon. 3. Synthèse A partir de l ensemble des données analysées et interprétées, proposer un modèle synthétique de fonctionnement d un système géothermal actif de ride. Données complémentaires : Masse molaire de l eau = 18 g/mol Profondeur de la vallée centrale du rift = 2000 m sous le zéro marin conversion bar/pa : 1 bar = 10 5 Pa 13/20

14 Tableau 2 Echantillon Profondeur (m)* Salinité (%poids eq NaCl) P (bars) Densité (g/cm 3 ) T critique ( C) Eau de mer 0 PH1 50 m PH2 500 m PH m PH m PH m Fumeur 1 0 m * les profondeurs données sont celles mesurées lors du forage (sous le fond océanique) 14/20

15 Tableau 2 : Synthèse des données obtenues sur les échantillons Echantillon Profondeur (m) Températures eutectiques Intervalle des températures finales de fusion de la glace ( C) Histogramme des températures d homogénéisation ( C) ( C) Eau de mer ,9 / PH1 50 m -35 à -33-2,1±0,1 Inclusions monophasées liquides PH2 500 m -34±2-3,2±0,2 Remarque PH m -51 à -48-5±1 PH m -50±2-10,5±0,3 15/20

16 Echantillon Profondeur (m) Températures eutectiques ( C) PH m -21±0,5 Intervalle des températures finales de fusion de la glace ( C) Fusion du cube de sel Histogramme des températures d homogénéisation ( C) Remarque Deux populations d inclusions, l une à vapeur dominante, l autre à liquide dominant et cube de seel Détection d un solide fondant vers C dens les inclusions à vapeur dominante Fumeur 1 Fond de l océan gris : inclusions qui homogénéisent en phase vapeur. blanc : homogénéisation en phase liquide -21±0,5-5±3 C 16/20

17 Géosciences et Environnement Données : Tableau 2 : quelques valeurs de température pour des systèmes à eau-sel(s) Type de système Système Température Phases à l équilibre eutectique Binaire H 2 O-NaCl -21,2 hh+glace+l H 2 O-KCl -10,7 Sylv+Glace+L H 2 O-CaCl 2-49,0 Ant+Glace+L H 2 O-MgCl 2-33 Mg 12 +Glace+L H 2 O-LiCl -75 Li5+Glace+L Ternaire H 2 O-NaCl-CaCl 2-52 hh+ant+glace+l H 2 O-NaCl-MgCl 2-35 hh+mg 12 +Glace+L H 2 O-NaCl-KCl -23,2 hh+sylv+glace+l H 2 O-NaCl-LiCl -77 hh+li5+glace+l hh = hydrohalite (NaCl.2H 2 O) ; Sylv = sylvite (KCl) ; Ant = antarcticite (CaCl2.6H 2 O) ; Mg12 = (MgCl 2.12H 2 O) ; Li5 = LiCl.5H 2 O Figure 1 : Courbe de fusion de la glace dans différents systèmes H 2 O-NaCl -33,6-49,0 17/20

18 Géosciences et Environnement Figure 2 : Isochores de l eau pure. Les étiquettes sur les isochores sont les volumes molaires en cm 3 /mol. SCF : fluide super-critique Figure 3 : Courbe critique du système H 2 O-NaCl entre 0 (noté Pc H 2 O) et 30 wt%nacl 18/20

19 Géosciences et Environnement Figure 4 : Isothermes montrant la composition des phases liquides et vapeur en équilibre dans le système H2O-NaCl (Sourirajan et Kennedy, 1962) Figure 5 : Diagramme de phases H2O-NaCl. wt% = pourcentage poids de la solution en sel 19/20

20 Géosciences et Environnement Figure 6 : courbes de fusion des hydrates de gaz 20/20