3.4.1. Circulation des fluides
Les systèmes hydrothermaux se concentrent dans les régions du globe où l’on observe un flux thermique important différent du flux thermique moyen local et l’existence de roches perméables ou fracturées. Les rifts, les rides océaniques, les frontières de plaques et les régions de volcanisme récent ou actuel sont des lieux privilégiés pour l’observation des manifestations hydrothermales.
Les systèmes hydrothermaux sont des machines naturelles de transfert d’énergie thermique à l’intérieur de la croûte terrestre. Le fluide caloriporteur qui permet ce transfert, c’est l’eau. Ainsi chaque système hydrothermal est composé d’un volume de roches où les conditions de température, de pression et d’environnement chimique varient continuellement dans lequel on observe : (1) un flux de fluides hydrothermaux, (2) une altération géochimique des roches consécutive aux interactions fluides / roches et (3) des zones de formation de nouveaux minéraux, typiques des hautes températures et des flux importants. Ces trois phénomènes constituent un ensemble appelé : « activité hydrothermale ».
On appelle « fluide hydrothermal » les solutions naturelles composées de corps (gazeux ou liquide) dans lesquelles les molécules H2O sont prédominantes et dont la température est supérieure à 100 °C. Les directions de flux au sein du système suivent : (1) l’organisation de la porosité des roches qui peut donner lieu à des circulations latérales et (2) un sens général du bas vers le haut (La densité de l’eau chaude est inférieure à celle de l’eau froide, au sein d’une masse d’eau, les eaux chaudes tendent donc à s’élever.).
Dans le cycle de l’eau, les fluides hydrothermaux se déversent dans des réservoirs aval comme des eaux de surface (lacs ou rivières), des aquifères locaux (alimentations souterraines) ou directement dans l’atmosphère (fumerolles).
Mais qu’en est-il des eaux qui alimentent les systèmes hydrothermaux ? L’analyse isotopique de la molécule d’eau, l’analyse chimique et isotopique des éléments en solution (éléments majeurs et traces) ou des gaz montrent que dans le cycle de l’eau, plusieurs réservoirs peuvent être à l’origine des eaux qui alimentent les systèmes hydrothermaux :
(1) L’eau de mer et les eaux météoriques (eaux douces continentales) pénètrent dans la croûte terrestre perméable et peuvent circuler jusqu’à de grandes profondeurs. La température et la composition chimique (qualité de l’eau) évoluent pendant le transit jusqu’à des degrés divers. Ce sont les interactions entre l’eau et les solides constituant les réservoirs qui engendrent cette évolution.
(2) Les eaux souterraines d’origine sédimentaire - Lors de la sédimentation, les eaux douces ou les eaux marines sont piégées dans les interstices des sédiments ou adsorbées sur des minéraux secondaires néoformés comme les argiles. Durant l’étape de compaction, la porosité des sédiments diminue très fortement (certaines porosités dans des vases argileuses qui peuvent atteindre des valeurs maximum de 50 % à l’origine peuvent diminuer pendant la phase de transformation en roche jusqu’à quelques % seulement) et de grands volumes d’eau sont alors libérés. En parallèle, la diagenèse engendre des recristallisations et des cimentations dans la porosité. Ces phénomènes expulsent aussi les eaux interstitielles. Enfin, l’eau de constitution des minéraux hydratés est libérée également durant cette étape.
La source métamorphique est associée aux mêmes mécanismes de libération des eaux. C’est un processus qui prend le relais de la lithification et qui se met en place dans les zones les plus profondes) des (i.e. > 10-15 km). Il n’est pas possible de prélever ces eaux (sauf dans des inclusions fluides).
(3) L’eau de constitution des minéraux qui forment les roches et qui peuvent être expulsés lorsque les roches sont soumises à des conditions de hautes températures et de fortes pressions. Ce type de phénomène se produit dans le manteau terrestre, et dans la croûte terrestre dans les zones de subduction ou lors des phénomènes de collision et de mise en place d’un magma.
Les systèmes hydrothermaux sont des machines naturelles de transfert d’énergie thermique à l’intérieur de la croûte terrestre. Le fluide caloriporteur qui permet ce transfert, c’est l’eau. Ainsi chaque système hydrothermal est composé d’un volume de roches où les conditions de température, de pression et d’environnement chimique varient continuellement dans lequel on observe : (1) un flux de fluides hydrothermaux, (2) une altération géochimique des roches consécutive aux interactions fluides / roches et (3) des zones de formation de nouveaux minéraux, typiques des hautes températures et des flux importants. Ces trois phénomènes constituent un ensemble appelé : « activité hydrothermale ».
On appelle « fluide hydrothermal » les solutions naturelles composées de corps (gazeux ou liquide) dans lesquelles les molécules H2O sont prédominantes et dont la température est supérieure à 100 °C. Les directions de flux au sein du système suivent : (1) l’organisation de la porosité des roches qui peut donner lieu à des circulations latérales et (2) un sens général du bas vers le haut (La densité de l’eau chaude est inférieure à celle de l’eau froide, au sein d’une masse d’eau, les eaux chaudes tendent donc à s’élever.).
Dans le cycle de l’eau, les fluides hydrothermaux se déversent dans des réservoirs aval comme des eaux de surface (lacs ou rivières), des aquifères locaux (alimentations souterraines) ou directement dans l’atmosphère (fumerolles).
Mais qu’en est-il des eaux qui alimentent les systèmes hydrothermaux ? L’analyse isotopique de la molécule d’eau, l’analyse chimique et isotopique des éléments en solution (éléments majeurs et traces) ou des gaz montrent que dans le cycle de l’eau, plusieurs réservoirs peuvent être à l’origine des eaux qui alimentent les systèmes hydrothermaux :
(1) L’eau de mer et les eaux météoriques (eaux douces continentales) pénètrent dans la croûte terrestre perméable et peuvent circuler jusqu’à de grandes profondeurs. La température et la composition chimique (qualité de l’eau) évoluent pendant le transit jusqu’à des degrés divers. Ce sont les interactions entre l’eau et les solides constituant les réservoirs qui engendrent cette évolution.
(2) Les eaux souterraines d’origine sédimentaire - Lors de la sédimentation, les eaux douces ou les eaux marines sont piégées dans les interstices des sédiments ou adsorbées sur des minéraux secondaires néoformés comme les argiles. Durant l’étape de compaction, la porosité des sédiments diminue très fortement (certaines porosités dans des vases argileuses qui peuvent atteindre des valeurs maximum de 50 % à l’origine peuvent diminuer pendant la phase de transformation en roche jusqu’à quelques % seulement) et de grands volumes d’eau sont alors libérés. En parallèle, la diagenèse engendre des recristallisations et des cimentations dans la porosité. Ces phénomènes expulsent aussi les eaux interstitielles. Enfin, l’eau de constitution des minéraux hydratés est libérée également durant cette étape.
La source métamorphique est associée aux mêmes mécanismes de libération des eaux. C’est un processus qui prend le relais de la lithification et qui se met en place dans les zones les plus profondes) des (i.e. > 10-15 km). Il n’est pas possible de prélever ces eaux (sauf dans des inclusions fluides).
(3) L’eau de constitution des minéraux qui forment les roches et qui peuvent être expulsés lorsque les roches sont soumises à des conditions de hautes températures et de fortes pressions. Ce type de phénomène se produit dans le manteau terrestre, et dans la croûte terrestre dans les zones de subduction ou lors des phénomènes de collision et de mise en place d’un magma.
Complément
Le dégazage des matériaux du manteau produit de « l’eau juvénile » dont l’existence est reconnue surtout dans les systèmes volcaniques. Les matériaux du manteau peuvent lorsque les conditions de pression et de température changent, fondrent pour former un « bain ». Si l’environnement contient de l’eau moléculaire, celle-ci peut être dissoute dans le bain sous la forme de molécules H2O et de groupes hydroxyles OH-. La quantité maximale d’eau dissoute dépend de la pression, de la température et de la composition chimique du « bain ».
Il est admis que les matériaux du manteau contiennent moins de 1 % d’eau. Cette eau existe sous la forme d’eau de constitution, c’est-à-dire sous la forme des groupes hydroxyles constituants des réseaux cristallins de certains minéraux. Dans les matériaux issus de la fusion partielle des roches des zones de subduction ou de la croûte continentale, la teneur en eau des matériaux peut s’élever jusqu’à 8 % et plus. On observe cependant que les magmas associés aux systèmes hydrothermaux actifs contiennent des teneurs en eau comprises entre 2,5 et 6 %, la moyenne se situant autour de 3 %.
La source métamorphique est associée aux mêmes mécanismes de libération des eaux. C’est un processus qui prend place dans les zones les plus profondes de la croûte terrestre (i.e. > 10-15 km).
De manière globale, il n’est pas possible de prélever ces eaux mais on en conserve des témoins dans des inclusions de fluides dans les minéraux.
Tout système hydrothermal peut être considéré comme un système hydrodynamique qui peut être identifié en particulier comme un réservoir. Le réservoir est dans le milieu naturel, la ou les formations géologiques qui contiennent le système hydrothermal. Il a donc une structure interne et des limites. Deux de ses limites sont actives : l’une est dite d’ « alimentation » ou de recharge et la seconde est dite de « décharge ».
La recharge du système hydrothermal peut avoir trois origines principales (compartiments amont du cycle de l’eau) :
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De surface – En domaine continental, ce sont les eaux météoriques (précipitations) ou les eaux de surface (lacs et rivières) qui alimentent le système. En domaine marin, ce sont les eaux marines.
-
Souterraine – Un aquifère ou des eaux interstitielles (expulsées des sédiments lors de la compaction dans un bassin sédimentaire) ou encore des fluides d’origine métamorphique sont les alimentations principales du système.
- Profonde – C’est un magma en cours de refroidissement qui libère des fluides qui alimentent le système.
Dans beaucoup de cas, on observe que les systèmes hydrothermaux sont mixtes avec des sources d’alimentation variées. Par exemple, le système de Baringo-Bogoria (Kenya) présente une alimentation superficielle continentale couplée avec une source magmatique.