Role of CO2 in the transfer of economic metals by geological fluids Maria Kokh To cite this version: Maria Kokh. Role of CO2 in the transfer of economic metals by geological fluids. Geochemistry. Universite Toulouse III Paul Sabatier, 2016. English. tel-01274297 HAL Id: tel-01274297 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01274297 Submitted on 15 Feb 2016 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. 5)µ4& &OWVFEFMPCUFOUJPOEV %0$503"5%&-6/*7&34*5²%&506-064& %ÏMJWSÏQBS Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier) 1SÏTFOUÏFFUTPVUFOVFQBS Maria KOKH le vendredi 22 janvier 2016 5JUSF Rôle du CO2 dans les transferts des métaux d’intérêt économique par les fluides géologiques ²DPMFEPDUPSBMF et discipline ou spécialité ED SDU2E : Sciences de la Terre et des Planètes Solides 6OJUÏEFSFDIFSDIF Géosciences Environnement Toulouse (GET) %JSFDUFVSUSJDF T EFʾÒTF Gleb Pokrovski (directeur de thèse), Damien Guillaume (co-directeur de thèse), Stéfano Salvi (co-directeur de thèse) Jury: Isabelle Daniel, Professeur U. Claude Bernard Lyon 1, Laboratoire de Géologie de Lyon (Rapporteur) Michel Cathelineau, Directeur de Recherche CNRS, GeoRessources (Rapporteur) Isabelle Martinez, Maître de Conférences, Université Paris Diderot, IPGP (Examinateur) Andri Stefánsson, Associated Professeur, U. of Iceland (Examinateur) François Martin, Professeur, U. Paul Sabatier Toulouse III, GET (Président du jury) Gleb Pokrovski, Directeur de Recherche CNRS, GET (Directeur de thèse) Stéfano Salvi, Chargé de Recherche CNRS, GET (Co-directeur de thèse) THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l’Université Toulouse III – Paul Sabatier Discipline ou spécialité : Géochimie Présentée et soutenue par Kokh Maria Le 22 janvier 2016 Titre : Rôle du CO2 dans les transferts des métaux d’intérêt économique par les fluides géologiques JURY Isabelle Daniel, Professeur U. Claude Bernard Lyon 1, Laboratoire de Géologie de Lyon (Rapporteur) Michel Cathelineau, Directeur de Recherche CNRS, GeoRessources (Rapporteur) Isabelle Martinez, Maître de Conférences, Université Paris Diderot, IPGP (Examinateur) Andri Stefánsson, Associated Professeur, U. of Iceland (Examinateur) François Martin, Professeur, U. Paul Sabatier Toulouse III, GET (Président du jury) Gleb Pokrovski, Directeur de Recherche CNRS, GET (Directeur de thèse) Stéfano Salvi, Chargé de Recherche CNRS, GET (Co-directeur de thèse) Ecole doctorale : Sciences de l’Univers, de l’Environnement et de L’Espace (SDU2E) Unité de recherche : Géosciences Environnement Toulouse (GET) Directeur(s) de Thèse : Gleb Pokrovski (directeur de thèse), Damien Guillaume (co-directeur de thèse), Stéfano Salvi (co-directeur de thèse) 2 REMERCIEMENTS Ce travail de thèse a été réalisé au sein du laboratoire Géosciences Environnement Toulouse (UMR 5563, Université de Toulouse, UPS, CNRS, IRD). Cette thèse a bénéficié d’une allocation de recherche du Ministère de l’Éducation Nationale de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche (bourse MENSR accordé par le président de l’UPS), et d’un financement de l’Université Paul Sabatier dans le cadre de l’AO du conseil scientifique de l’UPS (projet CO2MET) et d’un financement de l’ANR (projet SOUMET ANR-2011-Blanc SIMI 5-6 009). Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse, Gleb Pokrovski, pour m’avoir fait confiance malgré les connaissances plutôt légères que j’avais en septembre 2012 sur la métallogénie, puis pour m’avoir guidée, encouragée, conseillée, fait voyager pendant presque quatre ans tout en me laissant une grande liberté. J’ai pu grâce à lui me perfectionner dans des disciplines qui n’étaient pas, initialement, mes disciplines de prédilection, en particulier la thermodynamique et la chimie analytique. Je remercie également mes co-directeurs de thèse, Damien Guillaume et Stefano Salvi, qui ont toujours su donner de leur temp pour discuter avec moi la méthodologie de la géochimie expérimentale et la géologie des gisements métallifères. Je remercie également Nikolay Akinfiev qui a trouvé le temps pour m’apprendre à utiliser correctement son logiciel pendant ma visite en Russie que j’ai pu effectuer durant ma thèse grâce à une bourse ATUPS (août-septembre 2014). Merci aussi à tous les techniciens et ingénieurs qui ont toujours été prêts à me donner leur assistance professionnelle. En particulier, merci à Pascal Gisquet, Alain Castillo, Stéphanie Mounic, Philippe Besson, Carole Causserand, Aurélie Lanzanova, Frédéric Candaudap, Jérôme Chmeleff, Manuel Henry, Jonathan Prunier, Thierry Aigouy, Michel Thibaut, Sophie Gouy et Philippe de Parseval. Merci à Jacques Schott, Pascale Bénézeth, Alexandre Zotov et Dmitriy Grichuk pour des discussions scientifiques productives. Un grand merci aux doctorants du laboratoire pour leur sympathie. Je remercie tout particulièrement mes collègues de bureau Léandre Ponthus, Sylvain Block, Damien Roques et Santiago Yepes qui ont su détendre l’atmosphère lors des moments difficiles. Je remercie mes parents qui m’ont motivée et soutenue tout au long de mes études supérieures. 3 4 Table des matières REMERCIEMENTS .................................................................................................................................. 3 Table des matières ...................................................................................................................................... 5 Introduction générale ................................................................................................................................. 7 Chapitre 1. État de l’art ........................................................................................................................... 13 État de l’art (résumé en français) .......................................................................................................... 15 State of the art ........................................................................................................................................ 18 1.1. Abundance of carbon on Earth ................................................................................................... 18 1.2. Carbon cycle ............................................................................................................................... 20 1.2.1. Long-term carbon cycle ............................................................................................... 21 1.2.2. Short-term carbon cycle ............................................................................................... 24 1.3. Sources of carbon in geological fluids ....................................................................................... 26 1.4. Solubility and speciation of carbon in silicate and carbonate melts .......................................... 27 1.5. Speciation of carbon in hydrothermal fluids .............................................................................. 29 1.6. Typical concentration of carbon dioxide in fluid inclusions ...................................................... 32 1.7. Metal concentrations in CO2-rich natural fluids ........................................................................ 35 1.8. Role of carbon dioxide on metal transport by geological fluids................................................. 35 1.8.1. Vapor-Liquid equilibria ................................................................................................ 36 1.8.2. Changes in the liquid phase.......................................................................................... 38 1.8.3. Direct complexing ........................................................................................................ 38 1.8.4. Changes in solvent properties ...................................................................................... 39 1.9. Goals of this thesis ...................................................................................................................... 41 References ......................................................................................................................................... 43 Chapitre 2. Matériaux et méthodes ......................................................................................................... 51 2.1. Réacteurs hydrothermaux utilisés .............................................................................................. 53 2.1.1. Réacteur à trempe ......................................................................................................... 53 2.1.2. Réacteur à séparation de phase .................................................................................... 54 2.1.3. Réacteur à cellule flexible (type Coretest) ................................................................... 56 2.2. Traitement des échantillons expérimentaux ............................................................................... 57 2.2.1. Solutions après trempe .................................................................................................. 57 2.2.2. Solutions prélevées (autoclaves à