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Gudbrandsson, Snorri. Experimental weathering rates of aluminium-silicates

Gudbrandsson, Snorri (2013). Experimental weathering rates of aluminium-silicates.

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Résumé en francais

L'altération chimique des roches primaires et des minéraux dans les systèmes naturels a un impact majeur sur la formation des sols et leur composition. L'altération chimique est largement pilotée par la dissolution des minéraux. Les éléments chimiques libérés dans les eaux souterraines par la dissolution des minéraux réagissent facilement pour former des minéraux secondaires comme les argiles, zéolites et carbonates. Les carbonates se forment par réaction des cations divalents (Ca, Fe et Mg) avec CO2 dissous tandis que la formation des kaolins et de la gibbsite est attribuée à l'altération des minéraux riches en aluminium, le plus souvent les feldspaths. Le projet Carbfix à Hellisheiði (sud-ouest de l'Islande) a pour but d'utiliser les processus d'altération naturelle pour former des minéraux carbonatés par réinjection dans les roches basaltiques environnantes de CO2 provenant d'une centrale géothermique. Ce processus trouve son origine dans la dissolution des roches basaltiques riches en cations divalents (Ca, Fe et Mg) qui se combinent au CO2 injecté pour former des minéraux carbonatés. Cette thèse est centrée sur la dissolution du basalte cristallin de Stapafell qui est composé essentiellement de trois phases minérales (plagioclase, pyroxène et olivine) et qui est riche en cations divalents. La vitesse de libération des éléments du basalte à l'état stationnaire et loin de l'équilibre a été mesurée dans des réacteurs à circulation à des pH de 2 à 12 et des températures de 5 à 75°C. Les vitesses de libération de Si et Ca à l'état stationnaire présentent une variation en fonction du pH en forme de U avec une diminution des vitesses lorsque le pH augmente en conditions acides et une augmentation avec le pH en conditions alcalines. Les vitesses de libération du silicium par le basalte cristallin sont comparables à celles par le verre basaltique de même composition chimique aux faibles pH et aux températures = 25°C mais elles sont plus lentes aux pH alcalins et aux températures = 50°C. Par contre, les vitesses de libération de Mg et Fe diminuent de manière monotone avec l'accroissement du pH à toutes les températures. Ce comportement a pour cause les variations contrastées, en fonction du pH, des vitesses de dissolution des trois minéraux constitutifs du basalte: plagioclase, olivine et pyroxène. Les vitesses de libération des éléments déduites de la somme des vitesses de dissolution du plagioclase, pyroxène et olivine normalisées à la fraction volumique de ces minéraux sont, à un ordre de grandeur près, les mêmes que celles mesurées dans cette étude. En outre, les résultats expérimentaux montrent que, durant l'injection d'eaux chargées en CO2 de pH proche de 3.6, le basalte cristallin libère préférentiellement Mg et Fe en solution par rapport à Ca. L'injection de fluides acides chargés en CO2 dans des roches cristallines basaltiques peut donc favoriser la formation de carbonates de Mg et Fe aux dépends de la calcite aux conditions de pH acides à neutres. Le plagioclase, qui est la phase la plus abondante du basalte, influence fortement la réactivité de ce dernier. La vitesse de dissolution du plagioclase, basée sur la libération de la silice, présente une variation en forme de U en fonction du pH, diminuant lorsque le pH augmente aux conditions acides mais augmentant avec le pH aux conditions alcalines. En accord avec les données de la littérature, la vitesse de dissolution du plagioclase à pH constant, en conditions acides, augmente avec sa teneur en anorthite. L'interprétation et le fit des données obtenues suggèrent que la vitesse de dissolution du plagioclase est contrôlée par la décomposition d'un complexe activé riche en silice, formé par le départ de Al de la structure du minéral. Le plus remarquable, par comparaison aux hypothèses antérieures, est que la vitesse de dissolution du plagioclase en conditions alcalines est indépendante de sa teneur en anorthite - e.g. les vitesses de dissolution des plagioclases riches en anorthite augmentent avec le pH aux conditions alcalines. A ces conditions, il est probable que la vitesse de dissolution rapide du plagioclase domine, en raison de sa forte teneur en Ca, la libération vers la phase fluide des cations divalents du basalte cristallin. La gibbsite est généralement le premier minéral qui précipite lors de la dissolution du plagioclase. C'est un hydroxyde d'aluminium que l'on trouve dans divers sols et qui est aussi la phase principale des minerais de bauxite. Les vitesses de précipitation de la gibbsite ont été mesurées dans des réacteurs fermés, en conditions alcalines à 25 et 80°C, en fonction de l'état de saturation du fluide. Les analyses des solides après réaction ont démontré que la précipitation de gibbsite s'est produite dans toutes les expériences. L'interprétation de l'évolution dans le temps de la chimie du fluide réactif fournit des vitesses de précipitation de la gibbsite qui sont près des vitesses de dissolution du plagioclase. En plus, des vitesses de précipitation de la gibbsite diminuent plus rapidement que des vitesses de dissolution du plagioclase quand le pH descende. Ceci suggère que l'étape limitant de l'altération du plagioclase sur la surface de la terre est plutôt la consommation d'Al par formation de la gibbsite que la dissolution même du plagioclase. La kaolinite est en général le second minéral formé après la gibbsite lors de la dissolution du plagioclase à basse température. Les vitesses de précipitation de la kaolinite ont été mesurées dans des réacteurs à circulation à pH = 4 et t = 25°C, en fonction de l'état de saturation du fluide. Au total, 8 expériences de précipitation de longues durées ont été réalisées dans des fluides légèrement supersaturés par rapport à la kaolinite, en utilisant comme germes pour la précipitation une quantité connue de de kaolinite de Géorgie (KGa-1b) contenant peu de défauts et préalablement nettoyée. Les vitesses de précipitation de kaolinite mesurées sont relativement lentes comparées aux vitesses de dissolution du plagioclase. Cette observation suggère que la formation de kaolinite lors de l'altération est limitée par sa vitesse de précipitation plutôt que par que la disponibilité en Al et Si issus de la dissolution du plagioclase. L'ensemble des résultats de cette étude fournit un certain nombre de principes scientifiques de base nécessaires à la prédiction des vitesses et des conséquences de la dissolution du basalte cristallin et du plagioclase à la surface de la Terre et lors de l'injection du CO2 à proximité de la surface dans le cadre des efforts de stockage du carbone. Les résultats obtenus indiquent, bien que les vitesses de précipitation de la gibbsite soient relativement rapides, que la vitesse de précipitation relativement lente de la kaolinite peut être le processus contrôlant la formation de ce minéral à la surface de la Terre. Cette observation souligne la nécessité de poursuivre la quantification de la précipitation de ce minéral secondaire aux conditions typiques de la surface de la Terre. En outre, comme les proportions des différents métaux divalents libérés par les basaltes cristallins varient sensiblement avec le pH, la carbonatation des basaltes doit produire un changement systématique de l'identité des minéraux carbonatés et des zéolites précipités en fonction de la distance au puits d'injection. Cette dernière conclusion pourra être directement testée dans le cadre du projet CarbFix actuellement conduit à Hellisheiði en Islande

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Oelkers, Eric H.
Gislason, Sigurdur Reynir
Ecole doctorale:Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)
laboratoire/Unité de recherche :Géosciences Environnement Toulouse (GET), UMR 5563
Mots-clés libres :Crystalline basalt dissolution - Plagioclase dissolution - Aluminium silicate weathering - Precipitation of secondary aluminium minerals - Gibbsite precipitation - Kaolinite precipitation - CO2 sequestration - CarbFix
Sujets :Sciences de la terre
Déposé le :23 May 2014 14:46