SIMULATIONS A L’ÉQUILIBRE THERMODYNAMIQUE

SIMULATIONS A L’ÉQUILIBRE THERMODYNAMIQUE

La première simulation vise à contraindre les différences liées à l’utilisation d’eau de mer ou d’eau douce dans le processus général de serpentinisation. Pour cela, deux simulations à l’équilibre ont été effectuées à 200°C/500 bar avec 1 kg de lherzolite et 1 litre d’eau chacune. Le rapport eau/roche ainsi défini est égal à 1. Le premier modèle est réalisé avec de l’eau douce, alors que le second l’est avec de l’eau de mer. La composition de l’eau de mer utilisée, fournie par le logiciel, est définie dans le tableau 2 suivant. paramètre pression a été changé. Ce dernier modèle reprend donc une chimie eau de mer, mais avec une pression qui a doublé, passant de 500 bar à 1 kbar. Les assemblages minéralogiques calculés à l’équilibre sont présentés dans le tableau 3 (ci-dessous) et dans la Figure 58.  La minéralogie et la composition du fluide à l’équilibre n’évoluent pas, ou très peu, en fonction de la composition initiale du fluide (eau douce/eau de mer) et de la pression (Tableau 4). Il n’est donc pas utile de faire varier ces paramètres dans nos prochaines simulations. L’expérience n°3 a montré que la température jouait un rôle fondamental dans la cinétique de serpentinisation. En revanche, les assemblages minéralogiques n’ont pas pu être déterminés à toutes les températures. En effet, à basse température la vitesse de la réaction était trop lente pour atteindre l’équilibre thermodynamique. Le modèle numérique permet justement d’accéder à ce type d’information assez rapidement. Nous avons donc calculé l’assemblage minéralogique à l’équilibre à 300 bar, pour un rapport eau/roche égal à 1, et pour des températures allant de 0 à 390°C. Les simulations sont présentées dans la figure 59.

APPORT DE LA MODÉLISATION NUMÉRIQUE

En accord avec l’expérience n°3 dans laquelle nous avons caractérisé la cinétique de réaction pour différentes températures, la simulation à l’équilibre montre que l’assemblage minéralogique reste pratiquement inchangé entre 0 et 380°C. La composition de la solution évolue légèrement, puisqu’elle s’enrichie progressivement en silice. Le magnésium, le fer, et le calcium atteignent un minimum de solubilité autour de 250°C, sans que cela n’affecte l’assemblage minéralogique.En revanche, au-delà de 380°C, la simulation montre un brusque changement de minéralogie. En effet, les minéraux d’altération (i.e., serpentine, magnétite, brucite) disparaissent au profit de l’olivine. Ceci indique que la réaction de serpentinisation est limitée à des températures inférieures à 400°C, ce qui est en accord à la fois avec les résultats expérimentaux obtenus dans l’expérience 3, mais aussi avec de précédentes études numériques réalisées avec des systèmes chimiques comparables (McCollom et al., 2009 ; Klein et al., 2009). Il n’est pas possible de simuler l’effet des conditions supercritiques sur le processus de serpentinisation à plus haute température en raison de problèmes de convergence du logiciel ARXIM au-delà de 400°C.

Le même système a ensuite été modélisé pour différents rapports eau/roche (W/R en anglais) afin de contraindre l’effet de ce paramètre sur la minéralogie. Les résultats sont présentés dans la figure 60, et sont relativement intuitifs. Ceux-ci montrent que pour des rapports eau/roche supérieurs à 1, le système contient suffisamment d’eau pour créer un déséquilibre fort et constant entre la solution et les minéraux. La réaction est ainsi menée à son terme. En revanche, lorsque les rapports eau/roche sont inférieurs à 1, la saturation rapide de la solution s’accompagne de la précipitation de serpentine. Toutefois, la quantité de fluides n’est pas assez importante pour maintenir un fort déséquilibre entre les fluides et le minéral. La réaction s’arrête donc prématurément et une partie de l’olivine n’est pas serpentinisée. Par ailleurs, les fortes concentrations en calcium induites par la présence de clinopyroxène dans la roche de départ (lherzolite) entrainent ici la formation de minéraux calciques parfois observés dans le milieu naturel, comme la trémolite, lorsque les W/R sont inférieurs à 0.2.