Facteurs contrôlant les concentrations en métaux dans les eaux de formation des bassins sédimentaires

Factors controlling the metal concentration in sedimentary formation waters

• Auteur / Autrice : Elza Dugamin
• Direction : Michel Cathelineau, Antonin Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources (2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Judith Sausse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Cathelineau, Antonin Richard, Béatrice Ledesert, Stefano Salvi, Laurent Truche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Ledesert, Stefano Salvi
• DOI : 10.70675/3a191e9az980ez41b5zac62z0526d4248741

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bassins sédimentaires

Eaux souterraines

Teneur en métaux

Inclusions fluides

Lithium

Mots clés libres

Bassins sédimentaires

Eaux de formation

Inclusions fluides

Métaux

Concentration

Lithium

Sedimentary basins

Formation waters

Fluid inclusions

Metals

Concentration

Lithium

Résumé

La transition énergétique est associée à l'utilisation croissante d'un large éventail de métaux, en particulier ceux nécessaires à la fabrication de batteries lithium-ion (ex : lithium, cobalt), tandis que des besoins constants en métaux de base perdurent (ex : cuivre, zinc). Le développement de ressources alternatives en métaux telles que les « minerais liquides », notamment les eaux de formation des aquifères des bassins sédimentaires, pourrait contribuer à répondre à la demande mondiale. Cependant, les processus géochimiques impliqués dans l'enrichissement en métaux dans ces eaux demeurent mal connus et la démarche suivante a été en conséquence poursuivie dans ce travail : • Établissement d'une base de données des températures et compositions chimiques et isotopiques pour des eaux de formation (3700 analyses) et des inclusions fluides ayant préservé des eaux de formation anciennes (1700 analyses) de 90 bassins sédimentaires du monde entier, à partir de sources publiées. L'objectif est de mettre en évidence les gammes de concentrations caractéristiques de métaux dissous dans les eaux de formation, ainsi que les paramètres qui contrôlent leur concentration. • Application au cas d'étude du graben du Rhin, sur l'exemple du système géothermique de Soultz-sous-Forêts, à travers l'analyse des métaux dans des inclusions fluides et les minéraux du bassin et du socle cristallin. Le but est d'établir un bilan des transferts en métaux liés aux interactions fluide-roche de l'Oligocène à l'Actuel. Les résultats indiquent que les eaux de formation acquièrent généralement leur charge en métaux les plus abondants (Li, Mn, Pb, Zn, Fe, Ba, Cu) principalement suite à des interactions fluide-roche, l'augmentation de la température et de la salinité facilitant leur solubilisation. Dans le cas particulier du lithium, les eaux de formation les plus riches sont le plus souvent des saumures dérivées de l'eau de mer et enrichies en sels et partiellement en lithium par évaporation en surface, et par la suite expulsées des formations évaporitiques dans lesquelles elles sont piégées initialement, lors d'évènements tectoniques. La préservation de toute dilution par des fluides de recharge, et l'interaction avec des lithologies enrichies en lithium (roches silicoclastiques, niveaux volcaniques, socle cristallin) sont deux paramètres clés de l'atteinte des plus fortes concentrations. Les ressources en lithium estimées dans certains réservoirs sont du même ordre que celles des salars et des mines de roches dures (granites, pegmatites) actuellement exploités. Dans le cas d'étude du graben du Rhin, les saumures issues des formations du Trias se mélangent avec des eaux plus diluées infiltrées depuis les reliefs vosgiens, et transportent des quantités significatives de lithium (jusqu'à 200 mg.l⁻¹ dans les eaux de formations actuelles) ainsi que d'autres métaux (e.g. Pb, Zn, Cu, As, Sb). Les inclusions fluides montrent que des concentrations de 3-800 ppm en lithium, ont été atteintes entre l'Oligocène et l'Actuel. L'analyse des minéraux indique que la biotite, l'amphibole et la chlorite du socle cristallin ont probablement été des sources significatives pour ces métaux.

The energy transition is associated with the increasing use of a wide range of metals, particularly those needed for lithium-ion batteries (e.g. lithium, cobalt), while there is a continuing need for base metals (e.g. copper, zinc). The development of alternative metal resources such as ''liquid ores'', notably the formation waters of sedimentary basin aquifers, could potentially contribute to meeting global demand. However, the geochemical processes involved in metal enrichment in formation waters remain poorly understood and the following approach was therefore pursued in this work: • Establishment of a database of temperatures and chemical and isotopic compositions of formation waters (3700 analyses) and fluid inclusions that preserved ancient formation waters (1700 analyses) from 90 sedimentary basins worldwide, based on published sources. The objective is to highlight the characteristic concentration ranges of dissolved metals in formation waters and the parameters that control their concentration. • Application to the case study of the Rhine Graben, on the example of the Soultz-sous-Forêts geothermal system, through the analysis of metals in fluid inclusions and minerals of the basin and the crystalline basement. The aim is to provide an overview of metal transfers related to fluid-rock interactions from the Oligocene to Present. The results indicate that formation waters generally acquire their metal load (Li, Mn, Pb, Zn, Fe, Ba, Cu) mainly through fluid-rock interactions, the increase in temperature and salinity facilitating their dissolution. In the peculiar case of lithium, the richest formation waters are most often brines derived from seawater and enriched in salts and partially in lithium by surface evaporation, and subsequently expelled from the evaporitic formations in which they are initially trapped, during tectonic events. The preservation from dilution by recharge fluids, and the interaction with lithologies enriched in lithium (siliciclastic rocks, volcanic levels, crystalline basement) are two key parameters to reach the highest concentrations. The lithium resources estimated in some reservoirs are of the same order of magnitude as those of the salars and hard-rock mines (granites, pegmatites) currently exploited. In the case of the Rhine Graben, brines from the Triassic formations mix with more diluted waters infiltrated from the Vosges mountains, and carry significant amounts of lithium (up to 200 mg.l⁻¹ in the present-day formation waters) as well as other metals (e.g. Pb, Zn, Cu, As, Sb). Fluid inclusions show that lithium concentrations from 3 to 800 ppm of lithium were reached between the Oligocene and Present. Mineral analysis indicates that the main Li carriers (Fe, Mn, Zn) in the crystalline basement are biotite, amphibole and chlorite, which were probably significant sources for these metals.