Migration des fluides issus de la déshydratation des serpentinites : une étude naturelle et expérimentale

Migration of fluids resulting from dehydration of serpentinite : a natural and experimental approach

• Auteur / Autrice : Maxime Clément
• Direction : Andréa Tommasi, José Alberto Padrón-Navarta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 02/11/2018
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Gueydan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andréa Tommasi, José Alberto Padrón-Navarta, Frédéric Gueydan, Loïc Labrousse, Vicente López Sánchez Vizcaíno, Alberto Vitale Brovarone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Labrousse, Vicente López Sánchez Vizcaíno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Thermodynamique

Serpentine (minéralogie)

Pétrologie

Mots clés libres

Transfert de fluides

Pétrographie

Métamorphisme

Modélisation thermodynamique

Déformation

Petrography

Deformation

Thermodynamical modelling

Fluid transfer

Metamorphism

Résumé

La migration de fluides peut être responsable de nombreux processus d’importance sociétale et économique puisqu’elle est associée à des dépôts de minerai où à la formation de volcans d’arc à éruption explosive. La migration de fluides issus des réactions de déshydratation des serpentinites est aussi associée à des changements de comportement rhéologique de ces serpentinites dans les zones de subduction. Ce changement de rhéologie peut être responsable du déclenchement de tremblement de terre dans les zones de subduction. Toutefois, le couplage entre propriétés mécaniques des serpentinites, migration de fluide et cinétique de réaction de déshydratation reste encore peu contraint à l’heure actuelle. Cette thèse apporte des contraintes supplémentaires sur les liens qui existent entre ces propriétés en combinant une étude de serpentinites déshydratées de manière naturelle, de manière expérimentale et en étudiant l’impact de la compaction, moteur de déplacement des fluides, lors de la déshydratation des serpentinites.La déshydratation naturelle et la déshydratation expérimentale des serpentinites produisent des métapéridotites qui présentent des olivines granulaires ou allongées dans le plan de foliation. Ces deux types d’olivines montrent une forte orientation cristallographique préférentielle et une corrélation avec l’antigorite du fait du parallélisme de leurs axes [100] pour les olivines granulaires et de leurs axes [010] pour les olivines allongées avec les axes [001] de l’antigorite. Des marqueurs de déformations sont observés dans les métapéridotites foliées.Les serpentinites déshydratées de manière naturelle et expérimentale montrent des plans de fractures dans lesquels les olivines ont des textures de croissance rapide. Dans le cas des fractures naturelles, l’orientation cristallographique préférentielle des olivines est forte et corrélée au plan de la veine.La serpentinite partiellement déshydratée du massif de Cerro del Almirez montre occasionnellement des lamelles de clinoenstatite dans des grains d’orthoenstatite orientées aléatoirement qui peuvent potentiellement résulter d’une transformation martensitique (maclage mécanique) de l’orthoenstatite. Ces lamelles sont plus nombreuses dans la serpentinite complètement déshydratée et montrent deux orientations. La direction de contrainte calculée est orientée aléatoirementdans la serpentinite partiellement déshydratée et présente une seule orientation dans l’autre serpentinite.L’interprétation de ces résultats proposée dans cette thèse est que la migration de fluides est enregistrée par les textures des produits de réaction, notamment l’olivine. La migration lente et pervasive de fluides produit des olivines granulaires dont les orientations sont apparemment héritées de l’antigorite via des relations topotactiques (développement préférentiel des axes cristallographiques par croissance orientée entre deux minéraux). La migration focalisée de fluide change le mécanisme de croissance des grains conduisant à de la croissance orientée dans le plan de foliation ou dans le plan de la veine, sous l’effet du gradient de pression de fluides. L’extraction des fluides entraine une compaction qui expulse les fluides résiduels dans les pores et qui génère un champ de contrainte non-hydrostatique. Ce champ de contrainte est responsable de la déformation observée et de la transformation martensitique de l’orthoenstatite en clinoenstatite.

Fluid migration may be associated to several processes involved in ore deposit or the formation of forarc volcanoes that have explosive eruption. Fluid migration may also be also associated to change of rheological behavior of dehydrating serpentinite responsible of earthquakes triggering in subduction zones. However, the coupling between mechanical properties of dehydrating serpentinites, fluid migration and kinetics of dehydration reactions remains poorly constrained. This thesis provides new constraints on the link between these properties by combining a study on natural dehydrated serpentinites and experimentally dehydrated serpentinite and by evaluating the impact of metamorphic compaction, which drives fluids motion, on dehydrated serpentinites.Both natural and experimental dehydration of serpentinites produce metaperidotites that shows granular olivines or olivines elongated in the foliation plane. Both types of olivine have strong crystal preferred orientation and are correlated to antigorite as it is visible with [100] axes of granular olivines and [010] axes of elongated olivines parallel to [001] axes of antigorite. Markers of deformation were observed in foliated metaperidotites.Both naturally and experimentally dehydrated serpentinites shows fractures in which olivines have texture of rapid growth. Olivines from fractures in naturally dehydrated samples have strong crystal preferred orientation correlated to the plane of the fracturesPartially dehydrated serpentinite from Cerro del Almirez massif shows minor amount of clinoenstatite lamellae in orthoenstatite grains randomly oriented that may have been formed by martensitic transformation (mechanical twinning) of orthoenstatite. Completely dehydrated serpentinites at two meters of distance have higher amount of clinoenstatite that have two different orientations. Stress direction calculated is randomly oriented in partially dehydrated serpentinite and strongly oriented in completely dehydrated serpentinite.Results are consistent and the interpretation proposed in this thesis is that fluid migration is recorded by textures of products of dehydration reactions. Slow and pervasive fluid migration produces granular olivines with crystal preferred orientation correlated to crystal preferred orientation of antigorite by topotaxial relationships, which are fixed arrangements of crystallographic axes between two minerals due to oriented growth. Focused fluid migration change mechanisms of grain growth resulting in oriented growth of olivines in foliation plane or in plane of veins because of fluid pressure gradient. Fluid extraction lead to metamorphic compaction, which expulse residual fluids from the pores and triggered non-hydrostatic stress field. This non-hydrostatic stress field is responsible of deformation and the martensitic transformation of orthoenstatite to clinoenstatite.