Implications de la métastabilité pour le milieu naturel

Implications de la métastabilité pour le milieu naturel

La métastabilité existe dans le milieu naturel. Elle est présente dans les domaines superficiels à basses température et dans les domaines profonds à haute température. L’eau métastable est présente dans des environnements hyper-arides, comme les déserts ou sur la planète Mars. Dans le désert de Khartoum, il y a plusieurs milliers de Km2 de lacs  souterrains malgré les conditions extrêmes de température et d’aridité. De même à la surface de Mars, le spectromètre IR OMEGA a enregistré des spectres montrant une bande d’absorption de l’eau (Meslin et al., 2006 ;Jouglet et al., 2007 ; Milliken et al., 2007). Dans le sol sous-saturé, l’eau est capillaire (Pettenati et al., 2008) et sa durée de vie est indéfinie. Dans ce sol, cette eau liquide est confinée dans des pores (capillaires). Les diamètres des pores sont tellement petits qu’une bulle de gaz n’a pas assez de place pour apparaitre. L’eau reste ainsi éternellement métastable.  La métastabilité est aussi présente dans les zones à flux thermiques élevés, comme les systèmes géothermiques ou les rides océaniques, où sont localisés les geysers continentaux ou sous marins. Le geyser sous-marin de la fosse d’Atlantis II, en Mer Rouge Centrale en est un exemple. La fosse est alimentée par des solutions à l’ébullition entre 388° et 403°C (Ramboz et al., 1988). Cependant, le bilan de masse et de chaleur de la fosse établi sur 15 ans implique un apport de fluides hypercaloriques par le geyser. De telles propriétés sont cohérentes avec le fonctionnement d’un geyser métastable, émettant transitoirement des saumures surchauffées, ce que confortent des données d’inclusions fluides dans la barytine (Ramboz et Danis, 1990; Orphanidis, 1996). Dans la croûte moyenne à profonde, des phénomènes explosifs sont aussi possibles avec des fluides aquo-carboniques métastables (Shmulovich et Graham, 2004 ; Thiéry et Mercury, 2009). Dans les éruptions volcaniques, le liquide silicaté est sursaturé en eau et volatils métastables. Ce mélange fragmente le magma et provoque son explosivité, causant les éruptions phréato-magmatiques (Thiéry et Mercury, 2009 a et b). De plus, l’eau métastable existe dans les nuages sous forme surfondue. Ce sont des gouttelettes de petites tailles qui jouent un rôle dans la pluie et les phénomènes électriques (Herbert, 2006).

Quelques implications de la métastabilité

Les applications de la métastabilité dans le milieu naturel sont liées essentiellement à sa capacité de stabilisation explosive. Des études sur la relaxation violente de l’eau pure (Thiéry et Mercury, 2009a) et des solutions aqueuses (Thiéry et Mercury, 2009b) ont été réalisées dans les conditions de décomposition spinodale où le gaz et le liquide forme un réseau connecté (Fig. 72). La violence de cette explosion est liée à l’association de deux phénomènes : (1) le changement des paramètres géochimiques de couple solide-solution occlus et notamment leurs solubilités ; (2) le changement des conditions géomécaniques, elles même liées aux conditions hydrodynamiques de la nucléation (Shmulovich et al., 2009). D’autres études récentes se sont intéressées aux comportements géochimiques de l’eau métastable. Ces travaux ont calculé les propriétés thermodynamique de dissolution- précipitation de l’eau et des solutions surchauffées dans les sols des zones semi-aride et aride, où le degré de surchauffe est important (Mercury et Tardy, 1997, Zilberbrand, 1999 ; Mercury et Tardy, 2001; Mercury et al., 2003, 2004; Lassin et al., 2005; Pettenati et al., 2008) ; ainsi que des études de simulations numériques qui ont montré que cette eau évolue et perturbe les équilibres eau-roche-gaz à partir de -10MPa (Zilberbrand, 1999) ou de -20MPa (Lassin et al., 2005). Les travaux de Hemley et al. (1992) ont montré l’augmentation de la solubilité dans les sulfures surchauffés à 200°C et qui influencent les équilibres roches- solutions en changeant le bilan de masse du système (Shmulovich et al.,2009).

Des IF naturelles ont été observées et étudiées par la méthode microthermométrique sous microscope optique Ce sont les IF diphasiques ou triphasiques d’un cristal de quartz de Bitsch (à Valais en suisse ; cristal donné par Zep Mullis). Ces quartz ont été échantillonnés dans une roche métamorphisée dans le faciès de schistes verts lors du métamorphisme Alpin (Stalder, 1976). Les IF de ces quartz contiennent du liquide, du gaz et un solide fibreux : de la nahcolite. De petits cristaux de calcite sont aussi présents. Ces IF peuvent avoir des oxydes, de l’hématite ou des chlorites (Fig. 73). La nahcolite (NaHCO3) appartient à la classe chimique des carbonates et la sous-classe des carbonates anhydres sans anion étranger. Ce minéral est monoclinique. Il a un clivage et une cassure conchoïdale. Ce minéral se trouve dans les dépôts d’évaporites continentales. La nahcolite peut avoir plusieurs morphologies : prismatique, en agrégats, en veines ou en fibres. Dans les IF naturelles de Bitsch, ce minéral est souvent fibreux et forme un appendice (Fig. 73). Ces IF ont été placées en métastabilité de la même façon que les IF synthétiques. Les Th obtenues sont comprises entre 208° et 218°C et les Tn varient de 163.1° à 180.1°C. Deux grandes IF naturelles voisines ont été particulièrement observées (Fig. 74). L’IF1 triphasée de 300/80 µm, a un appendice de 50µm de nahcolite et l’IF2 est un cristal négatif de 240/110µm, diphasique sans nahcolite.